第５期 机械设计与制造 ２０１０年５月 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ９ 文章编号：１００１～３９９７（２０１０）０５—０００９—０３ 一种支撑架的设计与结构优化 范海雄韩华亭王崴 （空军工程大学导弹学院发射工程系，三原７１３８００） Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０ｆ ａ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｆｒａｍｅ ＦＡＮ Ｈａｌ—ｘｉｏｎｇ，ＨＡＮ Ｈｕａ－ｔｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ （Ｌａｕｎｃｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓａｎｙｕａｎ ７ １ ３８００，Ｃｈｉｎａ） 【摘 要】支撑架是通过杆件和各种接头、夹具来构建支撑骨架的一种机械装置，它在日常生活及其ｉ 军事方面都有比较广的应用。针对现有支撑架所能构建的空间小、构建快速性等问题，在研究其它支撑架ｉ 》优点的基础上，综合应用现代设计方法和计算机辅助设计软件，设计一套操作简单、快速、稳定的适用于《 大型空间搭建的支撑架结构。并利用ＡＮＳＹＳ优化设计模块工具，以满足力学条件为约束，以支架的重量｛ 最轻为优化目标，对所设计的支撑架的主支撑杆和框架横杆外径和壁厚等七个参数进行了优化分析，最ｊ 终通过对优化结果分析确定了合理的结构设计参数。 ’ ２ ； 关键词：支撑；框架结构；优化设计 《 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅ ｉｓ ０ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｈａｔ ｉｓ ｂｒｏａｄ ｕｓｉｎｇｉｎ ｔｈｅ ｄ￣ｉｌｙ ａｎｄ ｍｉｌｉｔａｒｙ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎ一！ ｓｔｒｃｕｔｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｖａｒｉｅｔｉｅｓ ｏｆｐｏｌｅｓ ａｎｄ ｃｌａｍｐｓ．Ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｃｏｎｓｉｓｔ ｉｎ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｕｐ一； ｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｓｍａｌｌ ｓｐａｃｅ ｏｎｌｙ，ｚｏ ｓｐｅｅｄｉｎｇ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，Ｏｎ ｂａｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅｒａｃｈ ｏｎ ２ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇｐｏｉｎｔ ｆｏｏｔｈｅｒｓ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅ，ｕｓｉｎｇｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉ￣ｍｅｔｈｏｄｓ ｎａｄ￥ｏＪ￣ｗａｒｅ ｏｆ如ｓ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ； 》ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ， ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅ ｗｉｔｈ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ ｏｐｅｒｔａｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ§ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ Ｗａｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｇ ｓｐａｃｅ ｃｏｎｓｔｒｃｕｔｉｎｇ ｍｏｒｅｏｖｅｒ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏｙｉｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ； ；ｗｅｉｇｈｔ ｎａｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｎａｄ ＡＮＳＹＳ ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｎｇ ｏｍｄｕｌｅ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｓｅｖｅｎ ｉ 》如 劬ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｆｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｏｕｔｓｉｄｅ ｄｉｍａｅｔｅｒ ｎａｄ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｆｏｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｏｌｅｓ ｎａｄ ｊ ｝ｒａｉｌｓ，ｓｕｉｇｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｌａ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｓｎｔｒａｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｍｉｎｉｍａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｒａｍｅ ｗｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｓａ《 ｆ船ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌｔａｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ． ≮ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｐｐｏｒｔ；Ｆｒａｍｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；Ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉ 中图分类号：ＴＨ１２２文献标识码：Ａ １引言 １所示。从图中可以看出：其主要由４根圆管杆和３组高度锁紧夹 支撑架是通过长短杆件和各种接头、夹具来构建支撑骨架的 具组成，其中４根圆管杆的直径按照圆杆１、圆杆２、圆杆３、圆杆４ 一种机械装置，它被广泛应用于军用车库、雷达站以及机动军事 依次减少；高度锁紧夹具由杆件挡圈５、Ｖ形块６、Ｖ形块７、连接螺 目标的伪装防护或野营帐篷、野战救护所的搭建支撑。但目前所 栓８、调节螺栓９组成，如图１所示。根据实际伪装目标的不同需 具有的支撑架一般都是针对较小目标所设计，如日常生活中的遮 要，可通过调整杆件间的长度来组接成不同高度的支撑主框架。 阳篷支撑、快速收缩帐篷等，即能构建较大的空间的支撑架的设汁 ４根圆管杆组成３组可伸缩粗细杆的组合，粗细杆之间通过 还是较少。在研究现有支撑架具体结构的基础上，针对支撑架的使 中间的锁紧装置连接，粗杆和细杆的长度根据伪装目标高度特点 用性、宜人陛等方面的特点，综合应用现代设计方法和计算机辅助 和操作方便性原则定为ｔ．５ｍ，且杆件的外壁标注有刻度线，其截 设计软件设计了一套能够单独构建（４ｘ１２ｘ６）ｍ，的支撑空间、构建 面尺寸为其主要属性参数，截面尺寸的大小对整个支撑不见的强 速度快、结构简单的大型支撑架结构。并以ＡＮＳＹＳ的优化设计模 度和刚度都有很大的影响，因此将粗细杆的截面尺寸作为优化对 块为优化工具，以４种不同主支撑杆外径和壁厚和框架横杆外径 象。中问锁紧装置的好坏是支撑杆件可靠工作的重要保证，其由 和壁厚等七个参数为设计变量，对可调整支架在纵向雪压和横向 杆件挡圈５、Ｖ形块６和Ｖ形块７等组成，杆件挡圈５一端设有 风载条件下结构参数进行了优化，通过优化获得了合理的设计参 凸台用于和粗杆配合时沿轴向定位；一侧沿轴向设有螺孔通过连 数，在保证结构强度和刚度的前提下，实现了减重设计的目标。 接螺栓８实现与两Ｖ形块的连接；杆件挡圈５径向尺寸由粗细 ２支撑架结构设计 杆尺寸决定，厚度为５ｍｍ，高度为５０ｍｍ，连接螺栓８为ＭＩＯ螺 栓。Ｖ形块６和Ｖ形块７是锁紧执行元件，其内表面与细杆外表 ２．１框架主支撑杆 面相切，一端沿轴向设有圆孔，用于和杆件挡圈５连接，另一端垂 框架主支撑杆是伪装支撑机构的核心部件之一，其结构如图 直于表面开孔，通过拧动调节螺母９实现对细杆的夹紧，达到固 女来稿Ｅｔ￣Ｊ：２００９—０７—１１ 女基金项目：国家自然科学基金项目（５０５ｏ５０５Ｉ）、国家８６３计划项目资助（２ｏ０７ＡＡ 艺１Ｉ８） １０ 范海雄等：一种支撑架的设计与结构优化 第５期 定的目的；Ｖ形块内表面尺寸由细杆外径决定，壁厚为６ｍｍ，调节 些元件都具有较高的可靠度，因此在模型构建过程中忽略这些元 螺栓９为Ｍ８螺栓。框架主支撑杆的材料为标准型Ｔ一３００碳纤 件。且伪装支撑机构构件在某些区域截面形状不规则，但在离散 维，其它自制零件材料都为４５钢。 图１主支撑杆结构设计图 ２＿２框架连接头 框架连接接头是实现框架主支撑杆和框架横杆的重要部件， 按照具体伪装目标的搭建需要，连接接头可分为二向、四向和六 向框架连接头。虽然不同的连接头可连接的杆件数量不同，但其 组成的基本元件种类是一致的，都由旋转螺纹套１、连接头主体２ 和径向销钉４组成。 连接横杆３根据伪装体搭建的需要和携带方便性长度定为 ２ｍ，且其两头具有轴向凹槽和外螺纹结构５；框架连接接头的２ 个径向销钉４安装于连接头主体２的销钉孔内，且长度略大于连 接头主体杆件的直径，并能与连接横杆３的轴向凹槽相互配合； 旋转螺纹套１安装与连接头主体２上，其内壁为螺纹结构能够与 连接横杆３的外螺纹结构５相配合。２向连接接头与连接横杆３ 的具体连接示意图，如图２所示。 图２二向连接头组装刮视图 ３支撑架优化设计 ３．１有限元模型的建立 ３．１．１模型简化 为降低优化设计计算量，保证设计的安全性，因此必须考虑 支撑架所适用环境中的典型恶劣载荷作用下的应力、应变情况。 雪压载荷代表了纵向最大载荷状况，横向风载代表了横向最大载 荷状况，对以上两种工况进行有限元分析即可使支架的强度满足 要求。要准确计算机构的最大应力和应变，还必须确定在以上两 种特定载荷作用下的最危险支撑状态。纵向雪压作用下，支撑架 为所构筑的顶部支撑面积最大，即承受的雪压量最大的情况下。 横向风载作用下，支撑架支撑状态为其构筑的长方体最大侧面受 垂直与侧面的风压作用情况下最危险。 在伪装支撑机构中存在大量的连接螺栓和连接锁紧元件，这 化时要作适当的形状简化，为了减少优化设计的计算量，将其简 化为规则形状。 ３．１．２单元选择及材料属性确定 支撑架结构主要包含支撑杆件中的粗细杆和横杆等５种杆 件，粗细杆和横杆为管型材，其在一个方向上的尺寸远远大于其 它两个方向，其受力特征符合梁单元特性，为很好的模拟杆件的 实际情况，５种杆件采用基于Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁理论的３一Ｄ二次有 限应变梁单元ＢＥＡＭ１８９。且ＢＥＡＭ１８９梁单元涉及到的五种梁单 元截面形状ＡＮＳＹＳ中都提供了标准模型，需根据标准输人参数。 支撑架的材料为标准型Ｔ一３００碳纤维材料，其材料的材料 模型为各向同性，弹性模量为２．３ｘｌＯ５ＭＰａ，密度为１．７５ｇ／ｃｍ，。 ３．１．３模型建立及网格划分 针对支撑架两种最危险支撑状态，对相应的梁单元按实际长 度尺寸建立相应的线模型及其几何模型。 使用ＡＮＳＹＳ的网格划分功能，指定ＢＥＡＭ１８９梁单元为 ０．１ｍ对几何模型进行网格划分。支撑架有限元模型共有１６６０个 ＢＥＡＭ１８９梁单元，３３０５个节点。主支撑架有限元分析模型和网 格划分结果，如图３所示。 图３有限元模型网格划分结果 ３．２基于有限元分析的优化设计 ３．２．１优化设计流程 结构优化设计流程，如图４所示。过程主要有前处理、求解参 数和后处理等环节组成 。首先必须对模型进行分析，建立参数化 模型，定义模型的载荷，提取并声明设计变量。在此基础上选择优 化方法，指定优化循环过程的控制方式，从而进行优化分析，分析 结束后查看设计序列结果并进行后处理。 图４优化设计流程图 ３．２Ｉ２优化设计变量选择 针对支撑架一共设置支撑主杆１外径（Ｒ ）、支撑主杆１壁厚 （Ｈ ）、支撑主杆２壁厚（Ｈ ）、支撑主杆３壁厚（Ｈ３）、支撑主杆４壁 厚（Ｈ ）、框架横杆外径（Ｒ ）和框架横杆壁厚（Ｈ ）等七个尺寸参数 作为优化设计对象。用矢量表示： ＝［ ｌ ２ ３，∞ ５ ｊ％ ７］ ３．２．３目标函数 设计目标是要使整个可调整支撑结构在满足强度和刚度的 前提下达到轻便的目的，即整个结构的质量最小。因此将机构质 Ｎｏ．５ Ｍａｖ．２０１０ 机械设计与制造 定大于或等于纵向雪压作用下的优化结果总质量，且纵向雪压作 用下的优化结果也有可能满足横向风载作用下的情况，而横向风 量作为目标函数。 ｎ Ｍ＝ Ｖｉｘｐ 载作用下的优化结果一定不满足纵向雪压作用下的情况。如果纵 式中： —框架质量； 一某个构件的体积；ｐＩ一该构件的密度。 ３．２．４载荷分析 在横向风载作用下的载荷主要有机构自身重力和风的压力。 对于风载的作用是通过将风的压力均匀的施加在相应的承载节点 上。而空气在压强差的作用下发生流动形成风，风的强度通常由风 向雪压作用下的优化结果能满足横向风载作用下的情况，则证明 纵向雪压作用下的优化结果就是最终的设计结果，如果不能满 足，一种获得最终结果的方法就是以纵向雪压作用下的优化结果 为设计变量的下限，在纵向雪压作用下进行优化计算，得到的结 果既能满足两种不同载荷状况，又能达到相对最优。为此，对横向 压表示，风速和风压的关系流体力学中的伯努力方程呵以表示为： Ｗ＝ ＝ 卫，０２＝ ｖＺ（ｋＮ／ｍ ） （１） ｚ ｇ 式中：ｐ一空气密度； ～风速； 一比例系数。 在我国有关风压的规范中，ｋ统一取为１／１６００。而实际计算 中，风压是随着高度和物体的外形而变化的。一般首先取基本风 压Ｗ０作为标准，乘以相应的高度变化系数 和体形系数 ，得出 实际风压： ＝ （２） 可调整支架设计承受最大风力为七级，取风速ｖ＝ｌＯ．８ｍ／ｓ。根 据式（１）计算出的基本风压 。－０．０７２９ｋＮ／ｍ ，简化起见取 ＝１．０， 由于主框架的最高高度超出６ｍ，故高度变化系数根据伪装支撑 装置高度不同分别取 ｌ＝０．８４和／ｘ￣２－Ｏ．９６。得到的实际风压ＷＪ＝ ０．０６１２ｋＮ／ｍ 和ｗ２－０．０７００ｋＮ／ｍ 。最终计算出支撑架不同高度的 风力为４４０８．９９ＫＮ和１６７９．６２ＫＮ。 ３．２．５约束分析 支撑架材料碳纤维标准型Ｔ一３００的许用应力为３５３０ＭＰａ， 为了提高搜索效率将应力取值范围定义为小于２５００ＭＰａ；依据结 构要求和提高搜索效率的原则，将应变范围定义为（０．０５～０．２）ｍ。 各设计变量和设计约束的具体取值范围，如表１所示。 表１设计变量和约束取值范围（长度ｍ、应力ＭＰａ） ３．２．６优化过程及结果分析 采用ＡＮＳＹＳ软件的零阶优化方法。在对有限元模型施加载荷 与约束的基础上，利用ＡＮＳＹＳ的参数化设计语言（ＡＰＤＬ）为工具 进行有限元分析操作，判断当前最大应力、应变是否超过设计变量 的初始赋值。并不断修改初始参数赋值，进行多次优化处理，直到满 足优化条件为止。并在完成初始状态的有限元分析计算后，在 ＡＮＳＹＳ数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数，并进入优 化设计模块指定分析文件，选择优化工具，对纵向雪压和横向风载 作用下的两种最危险支撑状况进行循环优化分析直到满足循环终 止条件，得到设计变量的优化结果。在满足约束条件和目标函数的 基础上得到的设计变量优化结果与初始值比较，如表２所示。得到 的设计约束和目标函数优化结果与初始值比较，如表３所示。 从两种情况下的优化结果可以看出：弹性杆件在纵向雪压作 用下的机构总质量远远大于横向风载作用下的情况，这说明纵向 雪压对机构的力学性能影响更大一些。最终的设计结果总质量一 风载作用下的优化结果在纵向雪压作用下进行有限元分析计算； 而主支撑架部分在横向风载作用下的机构总质量远远大于纵向 雪压作用下的情况，这说明横向风载对机构的力学性能影响更大 一些，故将主支撑架部分，对纵向雪压作用下的优化结果在横向 风载作用下进行有限元分析计算。 表２设计变量初始值与优化结果（长度ｍ） 表３应力应变和目标函数初始值与优化结果 （长度ｍ、应力ＭＰａ、质量Ｋｇ） 结果表明：弹性杆件纵向雪压作用下的优化结果能满足横向 风载作用下的情况，主支撑架横向风载作用下的优化结果能满足 纵向雪压作用下的情况，且最大应力、应变值均未超出许用应力、 应变值。按照设计手册对最终的设计结果进行相应的修改，得到 的整体装置的９个设计变量最终结果，如表４所示。 表４可调整支架设计变量最终结果（长度：ｍ） ４结论 在综合考虑框架使用环境、受力情况、机构设计中可靠性、稳 定性、宜人性等约束和设计条件的基础上，对支撑架的进行了具 体的结构设计和优化设计。从优化结果可以得出，该支撑架能单独 构建（４ｘ１２￣６）ｍ 的支撑空间，其所搭建的结构稳定、质量轻便、 操作简单、快速，且整个支撑架的采用新型复合材料—碳纤维。 参考文献 １王歇成．有限单元法［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３ ２方昆凡．工程材料手册（非金属材料卷）［Ｍ］．北京：北京出版社，２０００ ３孙靖民．米成秋．机械结构比化设汁ｆＭ１．哈尔滨工业大学出版社，１９８５ ４龙权球．结构力学教程［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１
