一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法，包括以下步骤：S1、根据需要进行拓扑优化的气缸缸体部分，用ANSYS软件将其设计成实体模型；S2、用ANSYS软件对上述实体模型进行网格划分，并根据气缸工作时的受约束情况，将需要约束的面进行约束并设置工作时的受力；S3、对网格划分后的实体模型按照上一步骤设置好的约束条件进行拓扑优化，从而改变气缸的拓扑结构，得到优化后新的模型；S4、根据优化后新的模型进行二次建模，根据ANSYS拓扑优化的结果，将“删除”部分的材料去除，将“边际”部分的材料去除部分，“保持”部分的材料不变；S5、使用ANSYS软件计算二次建模后气缸的变形情况和受力情况，并判断该变形情况与受力情况是否能满足气缸的正常工作。能满足气缸的正常工作。能满足气缸的正常工作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法


[0001]本专利技术属于气缸设计
，尤其涉及一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法。
技术背景
[0002]随着军事装备的不断革新与快速发展，气缸弹射这种发射方法的优势逐渐显现。对气缸性能要求越来越高，同时要求气缸缸体的重量不断减轻，以前的传统的气缸缸体设计方法难以满足要求。因此，急需一种创新性的设计方法来满足对气缸日益增加的性能需求与减重要求。
[0003]目前，对机载气缸缸体的设计方法主要为根据设计者以往的设计经验，来设计气缸缸体的结构，再使用软件对其进行优化。这样的方法存在三个主要问题：首先，想要设计出合适气缸缸体结构，这对研究人员的以往的设计经验要求极高，并且会耗费大量时间来进行实验仿真。其次，根据经验得到的结构虽然能够满足气缸对性能的要求，但其不具有泛用性，很难推广使用，下次设计新的气缸时，又需要重新设计。最后，即使能够推广使用，优化的结果也受限于初始设计的结构，难以产生新的结构形状。这意味着在优化过程中几乎不可能从局部最优解跳出，进入全局最优解。综上，现有技术未能实现不依赖现有结构就设计出具有高性能低质量气缸缸体的目标。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法，从而设计出高性能低质量的气缸缸体结构。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0006]一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据需要进行拓扑优化的气缸缸体部分，用ANSYS软件将其设计成实体模型，并设置好材料的弹性模量和泊松比；
[0008]S2、用ANSYS软件对上述实体模型进行网格划分，并根据气缸工作时的受约束情况，在ANSYS软件中将需要约束的面进行约束条件设置并设置工作时的受力；
[0009]S3、对网格划分后的实体模型使用ANSYS软件按照上一步骤设置好的约束条件进行拓扑优化，从而改变气缸的拓扑结构，得到优化后新的模型；
[0010]S4、根据优化后新的模型进行二次建模，所述二次建模是指根据ANSYS拓扑优化的结果，将“删除”部分的材料去除，将“边际”部分的材料去除部分，“保持”部分的材料不变；
[0011]S5、使用ANSYS软件计算二次建模后气缸的变形情况和受力情况，并判断该变形情况与受力情况是否能满足气缸的正常工作，若满足，则设计完成；否则重新进行二次建模，改变去除的“边际”部分的材料并进行规整，重新计算气缸的变形情况和受力情况，直至满足正常工作要求。
[0012]本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0013]本专利技术相较于传统的利用经验来进行气缸缸体的设计方法，没有在初始结构上对气缸缸体形状的限制，避免了设计者对于气缸拓扑设计的干预，并且大大缩短了结构的设计时间，所以能够在实现避免人为干预、不依赖现有的拓扑结构、自动演变气缸拓扑结构的同时，最大限度的优化气缸缸体的结构，减轻气缸缸体的质量。
附图说明
[0014]图1为本专利技术基于ANSYS的结构拓扑优化机载气缸缸体设计方法的流程图。
[0015]图2为实例中用实体来代替所需优化的气缸缸体示意图。
[0016]图3为实例中ANSYS拓扑优化后的模型。
[0017]图4为实例中根据拓扑优化结果二次建模后的结构。
具体实施方式
[0018]为了便于说明，下面将结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。
[0019]如图1所示，示例性地展示了利用本专利技术公开的基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法的流程图，包括如下步骤：
[0020]S1、根据需要进行拓扑优化的气缸缸体部分，用ANSYS软件将其设计成实体模型，并设置好材料(材料可以为铸铁，铝合金或钢)的弹性模量和泊松比；
[0021]S2、用ANSYS软件对上述实体模型进行网格划分，并根据气缸工作时的受约束情况，在ANSYS软件中将需要约束的面进行约束条件设置并设置工作时的受力；
[0022]S3、对网格划分后的实体模型使用ANSYS软件按照上一步骤设置好的约束条件进行拓扑优化，从而改变气缸的拓扑结构，得到优化后新的模型；
[0023]S4、根据优化后新的模型进行二次建模；
[0024]S5、使用ANSYS软件计算二次建模后气缸的变形情况和受力情况，并判断该种变形情况与受力情况是否能满足气缸的正常工作，若满足，则设计完成；否则重新进行二次建模，改变去除的边际材料并进行规整，重新计算气缸的变形情况和受力情况，直至满足正常工作要求。
[0025]实施例1
[0026]1.根据需要进行拓扑优化的气缸缸体部分，用ANSYS软件将其设计成实体模型，本例中的材料选择为钢，故设置材料的弹性模量为206Gpa，泊松比为0.3，如图2所示。
[0027]2.划分好网格，本例中网格数为三十万。由于本例中该气缸为机载气缸，底面和一端与飞机固连，故将气缸模型的底部与一个端面添加固定约束，其余部分不添加任何约束。给气缸内部加上2Mpa的压强，用ANSYS软件生成拓扑优化结果，如图3所示。
[0028]3.将软件中“删除”部分的材料去除，将“边际”部分的材料通过挖孔尽可能去除多的部分，“保持”部分的材料不变，并在材料去除后对结构进行规整使得最终的气缸缸体结构易于加工。本例中的规整为原模型的基础上去掉了四个三棱柱后在“边际”材料部分进行等距挖孔，如图4所示，所述挖孔为人为进行模型的材料去除，孔的大小、位置以及数量人为设定，不同的挖孔方案会得到不同性能和质量的气缸模型，需多次进行二次建模得到较理想的模型。在使用ANSYS软件得到拓扑优化的结构并进行二次建模后，将全部可去除的材料全部去除，边际材料通过挖孔的方式去除，如果得到的结构不满足要求，只需要重新挖孔即
可。
[0029]4.最后使用ANSYS软件计算二次建模后气缸的变形情况和受力情况，并判断该种变形情况与受力情况是否能满足气缸的正常工作，若满足，则设计完成；否则重新进行二次建模，改变去除的边际材料并进行规整，重新计算气缸的变形情况和受力情况，直至满足工作要求。
[0030]本专利技术采用上述技术方案，把需要优化气缸缸体部分用实体代替，再通过ANSYS优化从而得到优化气缸的拓扑结构，达到优化气缸缸体结构，降低气缸缸体重量的目标。
[0031]本专利技术公开的基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法，根据二次建模的情况可得到不同的结果，可根据气缸的实际情况、性能要求与工艺技术进一步确定最终拓扑。
[0032]以上所述仅为本专利技术的优选实施例而已，并不用于限制本专利技术，对于本领域的技术人员来说，本专利技术可以有各种更改和变化。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化的机载气缸缸体设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据需要进行拓扑优化的气缸缸体部分，用ANSYS软件将其设计成实体模型，并设置好材料的弹性模量和泊松比；S2、用ANSYS软件对上述实体模型进行网格划分，并根据气缸工作时的受约束情况，在ANSYS软件中将需要约束的面进行约束条件设置并设置工作时的受力；S3、对网格划分后的实体模型使用ANSYS软件按照上一步骤设置好的约束条件进行拓扑优化，从而改变气缸的拓扑结构，得到优...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱亮，吴诗凡，饶晨曦，任杰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：