基于ADAMS和ANSYS Workbench的气浮导轨防脱气浮塔优化设计

叶必卿，岳浩浩，蔡 健，商尧军

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 450000)

0 引 言

为了保证太空设备能成功完成任务，需要在升空前进行充分的试验，以验证和评估空间设备的性能[1]。

太阳翼试验展开架是在地面上搭建的零重力环境试验装置，模拟太空零重力环境，用于太阳翼组装地面展开试验以及与卫星星体对接[2]。气浮导轨是太阳翼试验展开架中的核心部分，气浮导轨系统主要由横导轨、纵导轨、气浮连接、气浮吊挂滑车、气浮垫等组成。太阳翼的展开过程由横导轨在纵导轨上的纵向运动和气浮吊挂滑车在横导轨上的横向运动组成，两者的运动合成使得太阳翼充分展开。在太阳翼的展开过程中，当气浮吊挂滑车偏向横导轨单边时，横导轨将会对气浮连接造成较大的冲击，导致气浮连接中的防脱气浮塔产生较大的变形和应力，最终导致气浮连接卡死在纵导轨上，影响太阳翼的顺利展开。

本文将运用SolidWorks对气浮导轨进行三维建模，建立其多体动力学模型[3]，利用ANSYS Workbench建立其有限元模型[4]，对防脱气浮塔进行静强度分析，计算防脱气浮塔的应力、变形，并对防脱气浮塔进行优化设计[5]。

1 气浮导轨的三维建模

气浮导轨主要由横导轨、纵导轨、气浮连接、气浮吊挂滑车、气浮垫组成。本研究运用SolidWorks对气浮导轨的各个零部件进行参数化建模，并进行装配。对左右两端气浮连接的装配体进行SolidWorks模型简化，并对纵导轨和气浮垫进行相应的模型简化。

气浮导轨的三维模型如图1所示。

图1 气浮导轨的三维模型

2 气浮导轨的多体动力学仿真

太阳翼展开过程中，当横导轨上的气浮吊挂滑车偏向单边时，横导轨对气浮连接的惯性力将会对防脱气浮塔造成很大的动载荷，为了研究防脱气浮塔的应力和变形，需用ADAMS仿真分析横导轨在载荷偏向单边的加速运动过程中防脱气浮塔所受的最大动载荷。

2.1 多体动力学仿真

本研究将简化后的SolidWorks导入ADAMS中[6]，创建新材料：6061铝合金密度为ρ=2 700 kg/m3，弹性模量为E=6.9×1010Pa，泊松比μ=0.33；7075铝合金密度为ρ=2 810 kg/m3，弹性模量为E=7.2×1010Pa，泊松比μ=0.33。将横导轨和纵导轨材料属性设置为6061铝合金，其他零部件材料属性均设置为7075铝合金，建立好各个零件之间约束关系。

本研究将上述的仿真模型中的8个防脱气浮塔替换为经过ANSYS Workbench柔性化处理后的三维模型，分别将8个防脱气浮塔的用于固定的4个孔和下端用于固定气浮垫的螺纹孔的圆柱面设置为刚形体与柔性体的连接区域，并设置相应的节点。在ADAMS中将防脱气浮塔的相应节点与下气浮垫和气浮垫支撑架建立固定约束。

仿真模型的部分约束关系如图2所示。

图2 固定端气浮连接仿真模型

气浮吊挂滑车偏向固定端时，设置横导轨的加速度为0.3 m/s2，吊点载荷为800 N，仿真时间为3 s，仿真步骤为300步，即0.01 s输出一个结果。所获得的8个防脱气浮塔中最大的动载荷为固定约束Joint13，运动仿真完成后得出受力曲线，如图3所示。

图3 Joint13的受力分析曲线

2.2 结果分析

从固定约束Joint13的受力分析曲线上可以看出：在横导轨的气浮吊挂偏向单边时，防脱气浮塔受到的最大动载荷沿x轴方向最大，即偏离纵导轨的方向，最大载荷约80 N，其他两个方向载荷较小，约10 N。由于后续ANSYS Workbench中的优化分析需要得到ADAMS中准确的受力大小及方向，因此，需要导出节点受力最大的某时刻分析数据文件。

3 防脱气浮塔的有限元分析

3.1 有限元分析

将防脱气浮塔的三维模型导入ANSYS Workbench软件后，首先定义其材料属性，将材料定义为7075铝合金。

防脱气浮塔采用自由网格划分法，共有56 360个单元和87 069个节点。

根据防脱气浮塔的工作情况，本研究对4个螺纹孔进行固定，参照ADAMS导出的FEA-loads文件对受力面施加载荷[7]，然后对防脱气浮塔的变形和应力进行求解计算，得到y轴方向变形为3.308 mm，z轴方向变形为9.861 mm，最大应力为415 MPa。

防脱气浮塔的有限元模型与静力分析如图4所示。

图4 防脱气浮塔的有限元模型与静力分析

3.2 结果分析

通过对防脱气浮塔的静力分析可知，结构设计中对下气浮垫固定的球形凹槽深度为3 mm，即最大动载荷造成的变形将会使下气浮垫脱落或卡死，影响整个太阳翼展开过程，因此有必要对防脱气浮塔进行结构优化设计。

4 防脱气浮塔的多目标优化设计

4.1 参数化建模

首先本研究运用SolidWorks对防脱气浮塔进行参数化建模，其三维模型如图5所示。

图5 防脱气浮塔的三维模型

模型主要包括底板、侧板、顶座3部分，其中顶座还有4个替代螺纹孔用于约束的圆孔。定义底板宽度为DS_D1、侧板厚度为DS_D2、顶座与侧板距离DS_D3。

4.2 多目标优化设计

有限元模型。将参数化建模后的防脱气浮塔三维模型导入Static Structural，在DesignerModeler中将3个参数设置为参数化，生成参数化设置模块Parameter Set。在静力分析中完成网格划分、边界条件设置、求解计算等，为多目标优化设计提供优化环境。

确定设计变量。创建Response Surface Optimization模块进行优化分析，确定3个设计变量的变化范围：17 mm≤D1≤23 mm，2 mm≤D2≤6 mm，3 mm≤D3≤5 mm，设计变量的初值为分别为18 mm、2.5 mm、4 mm。

优化计算结果。Ansys Workbench在各参数范围内选择足够数量的测量点进行组合生成设计点，经过50次优化迭代，得到了50组优化设计点。

响应面分析。根据50组优化设计点，得到各输入点及各输出点拟合构造响应面[8]，通过对响应面的分析确定最优条件。不同设计变量对防脱气浮塔的总变形量和最大应力的关键响应曲面如图6所示。

通过图6的响应曲面可得：底板宽度D1和侧板厚度D2对变形和应力的影响中，D2对其影响较大；侧板厚度为D2和顶座与侧板距离D3对变形和应力的影响中，D2对其影响较大；顶座与侧板距离D3和底板宽度为D1对变形和应力的影响上，D1和D3对应力和变形影响小。

图6 响应曲面

目标驱动优化。由响应分析得出擦板厚度对变形和应力影响较大，因此可将变形和应力作为设计目标，由于变形为负方向，将变形量设置为最大，应力设置为最小。通过目标驱动优化，得到基于目标优化的最优的3个候选方案，如图7所示。

图7 候选方案

参考以上候选方案，考虑到加工精度，得到最终的优化设计方案：底板宽度D1=18 mm，侧板厚度D2=6 mm，顶座与侧板距离D3=4.5 mm。

4.3 优化前后对比分析

根据最优化设计方案，本研究对防脱气浮塔重新建模，并进行有限元分析，将ADAMS中导出的FEA-loads文件对受力面施加载荷，得到优化后防脱气浮塔的最大变形和最大应力。

优化后防脱气浮塔的有限元分析结果如图8所示。

图8 优化后防脱气浮塔的有限元分析

各个参数优化前后的数值及变化如表1所示。

表1 各参数优化结果与优化前比较

由优化结果可知：防脱气浮塔的最大变形量和最大应力均有明显减小，刚度和强度均有大幅提高，证明了多目标优化方案的合理性。

5 结束语

通过ADAMS与Ansys Workbench，本文解决了以往防脱气浮塔的优化中结构施加不准确载荷的问题[9]；通过ADAMS多体动力学仿真计算出防脱气浮塔的最大动载荷，将其分析结果导入有限元分析中，通过ANSYS Workbench中的Response Surface Optimization模块进行优化分析，优化的方法使得结构无论在变形还是应力方面均变得更优，证明了方案的可行性。

但是本文在优化过程中未考虑防脱气浮塔的接触力，这有待于在接下来的进一步研究中加以优化。