算例丨基于HyperWorks的自动雨棚应力分析与结构优化

图1 雨棚模型结构示意图

  雨棚的主要功能为让被遮盖设备防水、防雨，且具备自动控制功能。

  雨棚有限元网格模型如图2所示：

图2 雨棚有限元网模型

  网格类型：导轨、旋转台等：3D六面体；网格大小：10～20mm。

  其余部件：中面四边形；网格大小：6～8mm。

  雨棚材料物性如表1所示：

表1 雨棚材料物性

    约束：设备转台底部固定约束；

    载荷：台风等级12级，即风速V=35m/s。

    风压计算公式：风压 P=0.5×ρ×V2 （ρ为空气密度，V为风速）

              重度 γ=ρ×g

    说明：标准状态下，气压=1013KPa，温度为15℃，空气重度γ=0.01225KN/m3，维度45°处的重力加速度g=9.8m/s2。

 所以，12级风压P=V2/1600=0.766KN/m2=766N/m2=766Pa。

    接触：篷布与曲杆模组接触，各个组件之间的装配关系采用焊接、节点重合、刚性连接的方式定义。

  台风等级12级风速下有限元分析结果如图3所示：

图3 台风等级12级风速下有限元分析结果

  由图3可知，曲杆模组最大变形量=26.3mm，最大应力=1004 Mpa ，超出材料拉伸强度550MPa，主体结构出现裂纹或断裂。

  冰雹工况下有限元分析结果如图4所示：

图4 台冰雹工况下有限元分析结果

    由图4可以看出，金属部件最大应力=286 Mpa 低于材料拉伸强度393MPa，主体结构满足要求。篷布最大应力=90.4 Mpa ，超出材料拉伸强度43MPa，篷布有被撕裂的风险。

  因此，为了设计出能够满足目标的雨棚，需要对其结构进行加强，通过尺寸优化可以满足目标。

  控制条件：材料强度极限，取安全系数1.4。

  约束条件：钢管壁厚：2～6mm；

          曲杆厚度：6～20mm；

          篷布厚度：1～5mm。

  目标：总质量最小。

  雨棚尺寸优化结果如图5所示：

图5 雨棚优化结果

  由图5可以看出，为了使雨棚满足12级台风及冰雹载荷，钢管壁厚须达到5.3mm，曲杆厚度须达到6.0mm，篷布厚度须达到4.0mm。

  雨棚尺寸优化位移及应力云图如图6所示：

图6 雨棚尺寸优化位移及应力云图

  由图6可以看出，篷布、曲杆模组、金属部件等均低于其材料拉伸强度，满足目标要求。

  HyperWorks中的尺寸优化不仅可以实现轻量化目标，同时可以使产品满足功能指标。