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管绞车筒体动力学分析及响应面优化研究

万光海 王全龙 武美萍 缪小进 韩志平

万光海, 王全龙, 武美萍, 缪小进, 韩志平. 管绞车筒体动力学分析及响应面优化研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1592-1601. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220063
引用本文: 万光海, 王全龙, 武美萍, 缪小进, 韩志平. 管绞车筒体动力学分析及响应面优化研究[J]. 机械科学与技术, 2023, 42(10): 1592-1601. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220063
WAN Guanghai, WANG Quanlong, WU Meiping, MIAO Xiaojin, HAN Zhiping. Dynamic Analysis and Response Surface Optimization of Pipe Winch Barrel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1592-1601. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220063
Citation: WAN Guanghai, WANG Quanlong, WU Meiping, MIAO Xiaojin, HAN Zhiping. Dynamic Analysis and Response Surface Optimization of Pipe Winch Barrel[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2023, 42(10): 1592-1601. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220063

管绞车筒体动力学分析及响应面优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220063
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51705202

江苏省自然科学基金项目 BK20170191

江苏省博士后科研计划 2021Z325

详细信息
    作者简介:

    万光海(1998-), 硕士研究生,研究方向为先进制造技术、动力学优化技术, 6200810088@stu.jiangnan.edu.cn

    通讯作者:

    王全龙, 副教授, 硕士生导师, 博士, wangql@jiangnan.edu.cn

  • 中图分类号: TH113

Dynamic Analysis and Response Surface Optimization of Pipe Winch Barrel

  • 摘要: 为提升管绞车筒体的抗振性能,开展了三孔筒体振动特性分析,并基于响应面法对筒体进行动力学优化研究。首先基于三孔筒体有限元模型,通过预应力加载及模态分析和谐响应分析,得出筒体的固有频率、振型以及频率与振幅之间的关系。对比模态分析与谐响应分析结果,发现前两阶固有频率对筒体的影响较大,易引起共振;通过探究开孔数量对筒体的影响,发现两孔筒体固有频率更高。借助灵敏度分析筛选设计变量,并运用面心复合设计获取样本点,构建Kriging响应面模型进行结构和材料参数优化。结果显示:优化后的筒体相比于原三孔筒体,其前两阶固有频率分别提升了189%和359.7%,其质量也降低了39%。
  • 图  1  管绞车实物图

    Figure  1.  Physical diagram of the pipe winch

    图  2  筒体三维模型

    Figure  2.  Three-dimensional model of the cylinder

    图  3  模态分析得到的网格尺寸与频率的关系

    Figure  3.  Relationship between mesh size and frequency obtained from modal analysis

    图  4  网格划分模型

    Figure  4.  Mesh partition model

    图  5  三孔筒体前6阶模态振型图

    Figure  5.  First six-order modes shape figure of the three-hole cylinder

    图  6  X, Y, Z方向上振幅和频率的关系

    Figure  6.  Relationship between amplitude and frequency in the X, Y, and Z directions

    图  7  二孔筒体变形云图

    Figure  7.  Deformation cloud map of the two-hole cylinder

    图  8  筒体参数灵敏度条形图

    Figure  8.  Bar chart of cylinder parameter sensitivity

    图  9  Kriging模型计算值和预测值关系

    Figure  9.  Relationship between calculated and predicted values in the Kriging model

    图  10  设计变量对频率的响应

    Figure  10.  Response of the design variable to frequency

    图  11  设计变量对质量的响应

    Figure  11.  Response of design variables to quality

    表  1  筒体材料的基本性能

    Table  1.   Basic properties of cylinder material

    弹性模量/GPa 密度/(kg·m-3) 泊松比
    213 7 900 0.282
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    表  2  网格尺寸与单元节点的关系

    Table  2.   The relationship between mesh size and element nodes

    网格尺寸/mm 节点数 单元数
    20 151 309 78 872
    30 95 859 49 243
    40 69 712 35 204
    50 53 874 26 983
    60 48 457 24 088
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    表  3  筒体前6阶固有频率及变形

    Table  3.   First six-order natural frequencies and deformations of the cylinder

    阶次 固有频率/Hz 各阶最大变形值/mm
    1 325.26 6.421
    2 380.85 7.085
    3 1 220.3 3.897
    4 2 094.6 3.858
    5 2 916.1 3.381
    6 3 043.3 3.641
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    表  4  两孔和三孔筒体模态频率及变形对比

    Table  4.   Modal frequency and deformation comparison between two-hole and three-hole cylinders

    阶次 两孔筒体 三孔筒体
    频率/Hz 最大变形/mm 频率/Hz 最大变形/mm
    1 1 137.4 4.163 325.26 6.421
    2 1 858.2 4.023 380.85 7.085
    3 2 583.9 2.818 1 220.30 3.897
    4 2 738.3 3.404 2 094.60 3.858
    5 2 990.0 3.411 2 916.10 3.381
    6 3 031.9 3.890 3 043.30 3.641
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    表  5  筒体参数设计表

    Table  5.   Table for cylinder parameter design

    设计变量 下限 原设计值 上限
    P2/GPa 191 213 234
    P3/(kg·m-3) 7 300 7 900 8 500
    P4/mm 378 388 398
    P5/mm 270.6 290.6 310.6
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    表  6  面心复合设计试验数据表

    Table  6.   Table for the face-centered composite design and experimental data

    编号 设计变量 输出变量
    P2/GPa P3/(kg·m-3) P4/mm P5/mm M/kg f1/Hz f2/Hz
    1 213 7 900 388 290.6 339.7 1138.3 1 858.7
    2 191 7 900 388 290.6 339.7 744.0 1 580.0
    3 234 7 900 388 290.6 339.7 1 427.4 2 100.6
    4 213 7 300 388 290.6 313.9 1 380.4 2 059.6
    5 213 8 500 388 290.6 365.5 878.5 1 666.8
    6 213 7 900 378 290.6 427.2 1 185.9 1 870.1
    7 213 7 900 398 290.6 248.3 1 035.6 1 817.2
    8 213 7 900 388 270.6 354.1 1 164.9 1 927.2
    9 213 7 900 388 310.6 323.9 1 106.9 1 784.5
    10 191 7 300 378 270.6 412.5 1 136.4 1 878.8
    11 234 7 300 378 270.6 412.5 472.7 1 708.2
    12 191 8 500 378 270.6 480.3 505.9 1 476.4
    13 234 8 500 378 270.6 480.3 1 286.5 2 001.1
    14 191 7 300 398 270.6 238.6 960.4 1 809.6
    15 234 7 300 398 270.6 238.6 122.5 1 582.5
    16 191 8 500 398 270.6 277.9 1 390.9 2 260.7
    17 234 8 500 398 270.6 277.9 1 129.7 1 935.5
    18 191 7 300 378 310.6 375.2 1 056.9 1 716.6
    19 234 7 300 378 310.6 375.2 532.7 1 645.1
    20 191 8 500 378 310.6 436.8 325.2 1 295.8
    21 234 8 500 378 310.6 436.8 1 213.5 1 841.9
    22 191 7 300 398 310.6 219.6 918.4 1 683.0
    23 234 7 300 398 310.6 219.6 363.9 1 552.2
    24 191 8 500 398 310.6 255.7 1 246.7 2 088.7
    25 234 8 500 398 310.6 255.7 1 092.5 1 811.7
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    表  7  Kriging模型合理性评估

    Table  7.   Rational evaluation of the Kriging model

    目标参数 R2 RMSE RMAE
    学习点 学习点 验证点 学习点 验证点
    M 1 3.37×10-9 0.068 0 0.113 5
    f1 1 3.58×10-7 3.416 0 1.028 7
    f2 1 4.78×10-8 0.321 0 0.153 4
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    表  8  3组优化方案

    Table  8.   Three sets of optimization solutions

    方案 P2/GPa P3/(kg·m-3) P4/mm P5/mm
    1 211 7385 397.95 310.22
    2 196 7335 397.85 307.22
    3 209 7330 397.81 308.24
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    表  9  各方案及原设计频率对比

    Table  9.   Comparison of each solution to the original design frequency

    方案 质量M/mm 频率f1/Hz 频率f2/Hz
    1 222.81 835.67 1 727.7
    2 223.77 940.08 1 750.7
    3 223.34 842.63 1 731
    原三孔 368.67 325.26 380.83
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    表  10  最优方案与原设计振型变形量对比

    Table  10.   Comparison between the optimal solution and the original design

    阶数 优化前变形量/mm 优化后变形量/mm
    1 6.421 5.353
    2 7.085 5.156
    3 3.897 3.622
    4 3.858 4.326
    5 3.381 4.424
    6 3.641 4.618
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  • 收稿日期:  2021-07-14
  • 刊出日期:  2023-10-25

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