钣金件的参数式设计和结构优化

1、钣金件的参数式设计和结构优化在船舶修理中，经常会遇到钣金件制作的问题。在船体车间，烟囱是常修的零部件。而测量、放样和数切是其中必不可少的工序。传统的方法，由于模型不可重复利用，在放样上消耗了最多的时间和精力。而利用三维软件建模，采用参数式设计的方法，可重复利用模型，使放样基本不消耗时间，达到增效的目的。同时，可将技术人员的主要精力用到设计和结构优化上，在满足一定的使用要求的情况下，达到降低成本的目的。现以高登-L上的烟囱为例，比较传统方法和参数式设计方法的区别，并优化此模型。烟囱板厚为8mm，具体尺寸如图1所示：此数值为烟囱的中径图1 烟囱的总体结构一、参数式设计与传统方法1、传统方法1）、建

2、模1、 利用AutoCAD，绘制底座A的纵截面图形。根据结构特点，底座A的横截面为圆形，纵截面为梯形。将底座A按照30°进行均分，如图2所示：此数值通过计算而得图2 底座A的纵截面2、 根据投影原则，将此底座A展开，展开后所得的图形即为数切图形，具体如图3所示数值均相等图3 底座A钣金件展开3、 根据结构特点，弯管B的横截面为椭圆，纵截面为梯形。按照30°进行划分，具体如图4所示椭圆短边半径与底座A半径相同图4 弯管B纵截面4、 根据椭圆的对称性，只需求出图4中的b1、b2、b3即可，通过计算，求得b1=266mm，b2=264mm，b3=263mm5、 根据投影原则，将此

3、弯管B展开，展开后所得的图形即为数切图形，具体如图5图5 弯管B钣金件展开6、 其余的弯管步骤与上面的3、4、5类似7、 完成各零件的展开后，总体数切图如图6所示图6 总体数切图2）、优缺点分析优点：使用AutoCAD软件，无需转换缺点：1、展开时的尺寸需手动计算，复杂且容易出错；2、弯管个数越多，时间消耗越长；3、一旦其中有尺寸错误，就要重新展开，如果圆筒的直径测量错误，所有的展开都要重新计算。2、参数式设计1）、建模使用三维软件Solidworks，采用参数式设计方法，建立烟囱的通用化模型，具体如下1、 建立布局草图：根据测量得到的烟囱的实际尺寸，利用软件的草图功能，绘制出烟囱纵截面的总体

4、尺寸，具体如图7所示：使用此布局驱动所有零部件图7 布局草图2、 创建一个新的零部件，命名为底座A。在此零部件中，将布局草图引入，以此为基础，利用钣金特征，建立底座A，具体见下图8 图8 引入布局草图，建立底座A3、 将底座A展开，利用Solidworks的机械制图功能，自动生成图纸，并转换成数切图形，如图9所示图9 底座A的展开，并生成数切图4、 创建一个新的零部件，命名为弯管B，在此零部件中，引入布局草图，以此为基础，利用钣金特征，建立弯管B，如图10所示图10 引入布局草图，建立弯管B5、 根据尺寸传递，可见弯管B的横截面为一个椭圆，短边与底座的直径相等，长边与底座A的上面的椭圆长边相等

5、，具体见下图11此短边长度与底座A的直径相等图11 弯管B的横截面6、 将弯管B展开，利用Solidworks的机械制图功能，转换成数切图形，具体见图12图12弯管B的展开，并生成数切图7、 其余的弯管建模和展开步骤与上面的4、5、6相同8、 建成的烟囱结构如图13所示图13 烟囱结构图2）、优缺点缺点：需要用Solidworks和AutoCAD两个软件优点：1、一旦建立，只要修改布局草图的尺寸，即可建立新的烟囱，并生成数切图形，实现模型的重复利用；2、弯管的个数多少不影响放样的时间；3、圆管也可利用此模型；4、建立的三维模型可直接导入有限元软件，进行强度校核。修改尺寸后的具体模型见图14所示

6、图14 直接生成新的烟囱（对比图13）二、结构强度计算与优化1、结构强度计算烟囱在实际工作过程中，主要受到重力和风力。重力与质量有关，对于一定的烟囱，重力大小一定。现以17级风力作为此烟囱的最大工况。沿着圆筒的中心，每隔30°加载一个工况，分别计算在各工况下，烟囱的应力和位移。由于风力作用在烟囱的外表面上，因此以压强的形式加载到结构上，具体加载情况如图11所示：图11 烟囱加载各工况（俯视图）利用HyperMesh软件对结构件进行有限元计算，得到烟囱在各工况下的应力。取各网格在所有工况下的最大应力和最大位移，分别综合到一张应力和位移图上，经计算可得在靠近烟囱的顶部产生最大应力，大小为

7、20.1MPa，具体如图12所示此处应力最大，为20.1MPa此处应力最大，为20.1MPa图12 所有工况下各网格的最大应力云图最大位移为2.07mm，具体如下图所示：此处位移最大，为2.07mm此处位移最大，为2.07mm图132、结构优化由于材料为Q235A，材料的屈服极限235MPa>>20.1MPa，且结构的位移也很小，从节约成本的角度考虑，可以对此结构进行优化，使结构满足以下条件：最大应力<235MPa，最大位移<10mm。结构优化一般有两种方法：1、根据应力与位移的分布云图，结合自身经验，对结构的各部分进行手动优化，并重新进行强度校核；2、利用HyperM

8、esh软件的优化功能，限定各变量的范围，通过自动优化得到相应的结构。1）、根据云图手动优化根据应力与位移云图可知，板厚8mm过于保守，可以通过修改板厚的方法来进行优化。例如，将各结构的板厚设置为4mm，则此烟囱的应力和位移云图如图14所示：此处应力最大，应力为56.8MPa，远小于许用应力235MPa图14 板厚为4mm的应力云图此处位移最大，位移为9.01mm图15 板厚为4mm的位移云图 由图14和图15所示，在烟囱的尺寸一定的情况下，最大应力远小于许用应力，但最大位移9.01mm10mm，因此大体的优化已经达到了目标。2）利用软件自动优化限定钢板厚度不能小于3mm，节点位移在-10mm,

9、10mm的范围内，最大应力小于235MPa，采用拓扑优化，得到的拓扑结构如图16所示：红色区域表示板厚为8mm，其余区域的板厚为3mm图16 拓扑优化云图由上图可知，烟囱可采用3mm厚的钢板，在两侧（图16中红色区域）进行局部加强即可。由于软件在优化时并未考虑工艺，两侧贴板的形状并不规则，工艺可行性不大。因此可在图16所示的情况下，考虑在红色区域添加加强筋，具体如图17所示：两侧添加厚度为5mm，宽度为100mm的加强筋两侧添加厚度为5mm，宽度为100mm的加强筋图17 两侧添加加强筋，加固结构加上加强筋后，根据计算，结构的强度达到要求，最大应力为46.1MPa，最大位移为8.13mm。应力

10、和位移云图分别如图18和图19所示：此处应力最大，应力为46.1MPa，远小于材料的许用应力235MPa图18 添加加强筋后应力云图此处位移最大，位移为8.13mm图19 添加加强筋后位移云图由图18和图19所示，在烟囱的尺寸一定的情况下，最大应力远小于许用应力，但最大位移8.13mm接近许用位移10mm，因此优化大体达到了目标。三、小结本文以修船时常见的烟囱为例，介绍了烟囱的参数式设计，并与传统方法进行了比较。采用三维软件对烟囱做的参数式设计，通过建立二维的布局草图，采用参数驱动即可改变整个模型并自动形成数切图。且此模型一旦建立，即可通用，可节省传统方法中的建模和展开环节，节约整个流程至少一半的时间。此外，优化了烟囱的结构。对传统的烟囱进行了有限元计算，在满足强度和刚度的基础上，根据计算结果，对烟囱的各部分板厚进行了优化，降低了成本。以烟囱为例