Оптимизация параметров пружин с использованием алгоритма Биса для механизма складывания крыла.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21913 (2022) Цитировать эту статью

979 Доступов

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

В данном исследовании оптимизационной задачей считается конструкция пружин кручения и сжатия механизма складывания крыла, используемого в ракете. После выхода ракеты из трубы крылья, находящиеся в закрытом состоянии, должны быть раскрыты и зафиксированы в течение определенного времени. Исследование направлено на то, чтобы максимизировать энергию, запасаемую пружинами, чтобы крыло можно было открыть за минимальное время. В этом контексте уравнение энергии в обеих публикациях определяется как целевая функция процесса оптимизации. Диаметр проволоки, диаметр навивки, количество витков и параметры отклонения, необходимые для конструкции пружины, были определены в качестве переменных оптимизации. Существуют геометрические ограничения на переменные, обусловленные размерами механизма, а также ограничения по коэффициенту безопасности, обусловленные нагрузками, которым подвергаются пружины. Алгоритм Пчел (BA) использовался для решения этой задачи оптимизации и проектирования пружины. Значения энергии, полученные с помощью BA, были лучше, чем значения, полученные в ходе предыдущего исследования планирования эксперимента (DOE). Пружины и механизм, спроектированные с использованием параметров, полученных в результате оптимизации, сначала были проанализированы в программе ADAMS. После этого были проведены экспериментальные испытания путем интеграции изготовленных пружин в реальный механизм. В результате испытаний было замечено, что крыло открывалось примерно через 90 мс. Это значение значительно ниже целевого показателя проекта в 200 мс. Кроме того, разница между результатами анализа и экспериментами составляет всего 16 мс.

В самолетах и ​​морских транспортных средствах механизмы складывания выполняют критически важные задачи. Эти системы используются при морфинге самолетов и конверсионных работах для улучшения летных характеристик и управления. В зависимости от режима полета крылья складываются и открываются по-разному, чтобы уменьшить аэродинамические эффекты1. Эту ситуацию можно сравнить с движениями крыльев некоторых птиц и насекомых во время обычного полета и ныряния2. Аналогичным образом планеры складываются и раскладываются в подводных аппаратах для уменьшения гидродинамических эффектов и достижения максимальных ходовых качеств3. Другая задача механизмов – обеспечить объемные преимущества таким системам, как складывание винтов вертолетов при хранении и транспортировке4. Крылья ракет также складываются для уменьшения места для хранения. Таким образом, больше ракет можно разместить на меньшей площади пусковой системы5. Компонентами, эффективно используемыми при складывании и раскладывании, обычно являются пружины. В момент складывания в них запасается энергия, высвобождающаяся в момент раскладывания. Благодаря их гибкой структуре запасаемая и выделяемая энергия становится одинаковой. Пружины в основном предназначены для системы, и такая конструкция представляет собой задачу оптимизации6. Потому что, хотя он включает в себя различные переменные, такие как диаметр проволоки, диаметр намотки, количество намоток, угол спирали и тип материала, существуют также такие критерии, как минимизация массы, объема, распределения напряжения или наличие максимальной энергии7.

В данном исследовании раскрыта конструкция и оптимизация пружин механизма складывания крыла, используемого в ракетном комплексе. Находясь внутри пусковой трубы перед полетом, крылья остаются сложенными над поверхностью ракеты, а после выхода из трубы они раскрываются в течение определенного времени и остаются зафиксированными на поверхности. Этот процесс имеет решающее значение для правильного функционирования ракеты. В разработанном механизме складывания раскрытие крыла осуществляется торсионной пружиной, а запирание - пружиной сжатия. Чтобы спроектировать подходящие пружины, необходимо выполнить процесс оптимизации. В литературе существуют различные применения в области оптимизации пружин.

Паредес и др.8 определили максимизацию максимального коэффициента усталостной долговечности в качестве целевой функции для конструкции винтовой пружины и использовали квазиньютоновский подход в качестве метода оптимизации. Переменными при оптимизации были определены диаметр проволоки, диаметр намотки, количество витков и длина пружины. Еще одним параметром конструкции пружины является материал, использованный при ее изготовлении. Поэтому это учитывается в исследованиях по проектированию и оптимизации. Зебди и др.9 установили цель максимальной жесткости и минимального веса в целевой функции в исследовании, где весовой коэффициент имеет важное значение. В этом контексте они определили материал пружины и геометрические свойства как переменные. В качестве метода оптимизации они использовали генетический алгоритм. В автомобилестроении вес материалов эффективен во многих областях, от характеристик автомобиля до расхода топлива. Минимизация веса при оптимизации винтовых пружин, используемых в подвеске, является известным исследованием10. Бахшеш и Бахшеш11 определили такие материалы, как E-стекло, карбон и кевлар, в качестве переменных в своей работе в среде ANSYS и стремились к минимальному весу и максимальной натяжной способности среди различных композитных конструкций пружин подвески. Производственные процессы имеют важное значение при проектировании композитных пружин. Таким образом, в задаче оптимизации в игру вступают различные переменные, такие как методы производства, этапы, выполняемые в ходе процесса, и последовательность этих шагов12,13. В пружинах, предназначенных для динамических систем, следует учитывать собственную частоту системы. Во избежание резонанса рекомендуется, чтобы первая собственная частота пружины была как минимум в 5–10 раз больше собственной частоты системы14. Тактак и др.7 решили минимизировать массу пружины и максимизировать первую собственную частоту в качестве целевой функции в конструкции винтовой пружины. Они использовали методы шаблонного поиска, внутренней точки, активного набора и генетического алгоритма в инструменте оптимизации Matlab. Одной из частей исследования конструкции пружины является аналитическое исследование, и в этой области преобладает метод конечных элементов15. Патил и др.16 разработали метод оптимизации для уменьшения веса винтовой пружины сжатия с использованием аналитического процесса и проверили аналитические уравнения с помощью метода конечных элементов. Еще одним критерием, который повысит полезность источника, является увеличение энергии, которую он может хранить. Эта ситуация также гарантирует, что пружина сохранит свою работоспособность в течение длительного времени. Рахул и Рамешкумар17 стремились уменьшить объем пружины и увеличить энергию деформации в конструкции винтовой пружины, используемой в автомобилестроении. Они также использовали генетические алгоритмы в своих исследованиях по оптимизации.