一种滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，特别是涉及一种滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法、设备及介质。

背景技术

汇流环是雷达设备的关键组成部分，也是传递固定部分和旋转部分电气信号的重要装置，主要功能是实现固定设备与旋转设备之间的电功率或电信号的传输，避免设备相对转动时导线之间相互缠绕，可广泛应用于航天、航空、航海以及各种精密仪器等诸多领域。根据接触摩擦方式的不同，汇流环可分为滑动摩擦式汇流环和滚动摩擦式汇流环。随着汇流环技术的不断发展，滚动汇流环的应用越来越广泛，被大量应用在民用产品及军品上。滚动汇流环的结构参数好坏直接决定了滚动汇流环的性能和使用寿命。当前，关于滚动汇流环的结构参数设计，一般是基于大量的真实试验得到，这种依托于大量真实试验的方式会增加制作成本。也有基于仿真试验得到的，但基本上都是基于单个终端进行的，仿真效率低，并且仿真效果不理想。

发明内容

针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法，所述滚动式汇流环至少包括内环、外环以及设置在所述内环和所述外环之间的弹性环，所述方法包括如下步骤：

S100，构建目标滚动式汇流环的仿真模型；其中，仿真模型中的弹性环的装配偏移量被设置为D

S200，采用多分析步的仿真步骤对所述仿真模型进行仿真，得到对应的仿真结果；所述多分析步包括初始分析步、压力加载分析步、弹性环自由回弹分析步和内环转动分析步；

S300，基于所述仿真结果，获取所述目标滚动式汇流环的结构参数最优值。

本发明实施例还提供一种非瞬时性计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由处理器加载并执行以实现前述方法。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和前述的非瞬时性计算机可读存储介质。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法，通过建模预设装配偏移量、多分析步设置，能够保证仿真求解的收敛性，还原汇流环实际作业工况，进而能够提高汇流环产品结构寻优的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法的流程图；

图2为滚动式汇流环的仿真模型的示意图。

附图标记：

1：外环；2：内环；3：弹性环。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法，用于在滚动式汇流环的结构设计时，获取最优结构设计参数。在本发明实施例中，所述滚动式汇流环的结构可为现有结构，如图2所示，可至少包括内环2、外环1以及设置在所述内环2和所述外环1之间的弹性环3。在进行结构设计时，内环和外环的直径及壁厚固定，弹性环的壁厚也固定。弹性环的外径大于“外环内径与内环外径之差”，因此在三个零件装配完成后，弹性环存在一定的压缩量，可通过改变弹性环的直径以调整压缩量值的大小。

进一步地，本发明实施例提供的滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法，可包括如图1所示的步骤：

S100，构建目标滚动式汇流环的仿真模型；其中，仿真模型中的弹性环的装配偏移量被设置为D

进一步地，S100可具体包括：

S110，基于目标滚动式汇流环的外环的内径和外径、内环的内径和外径、弹性环的初始外径、初始内径以及弹性环和内环之间的初始干涉量，构建关于所述目标滚动式汇流环的基础三维模型。

在本发明实施例中，仿真模型可基于超级计算机实现，具体地，可采用设定仿真软件，使用Linux命令构建目标滚动式汇流环的基础三维模型。在一个示意性实施例中，构建的基础三维模型的主视图可如图2所示。

在本发明实施例中，弹性环的圆心位置G

本发明的发明人经过试验发现，建模时，因弹性环的直径大于外环内径与内环外径之差，若弹性环的圆心处于参考圆上，则弹性环与内外、外环两者间均有干涉量θ/2，这会增加仿真时边界条件的设置复杂度，且仿真结果收敛性大大降低。

因此，在弹性环建模时，本发明的发明人沿草图坐标原点与弹性环圆心连线方向，将弹性环圆心向草图坐标原点偏移θ/2，此时弹性环的圆心坐标为（-D

S120，对所述基础三维模型进行仿真前处理，得到对应的基础仿真模型；所述仿真前处理至少包括对所述基础三维模型进行有限元网格划分以及设置对应的仿真条件。

在本发明实施例中，可使用六面体网格对内环、外环和弹性环进行有限元网格划分。

在本发明实施例中，所述仿真条件至少包括：内环、弹性环和外环的材料特性；仿真步骤；接触关系；边界条件。

其中，材料特性包括选择的材料和对应的材料参数，材料参数可包括密度、弹性模量、泊松比、应力-应变值等。内环、外环和弹性环的材料可基于实际需要进行选择。

其中，所述仿真步骤包括多分析步，具体为：初始分析步、压力加载分析步、回弹分析步和转动分析步。在一个示意性实施例中，分析步的类型均选择Dynamic，Implicit类型集动态隐式类型，Time period（时间段）均设置为1，Nlgeom均设置为On，载荷随时间的变化方式均选择为Ramp linearly over step。

进一步地，在本发明实施例中，所述接触关系可包括内环和弹性环之间的接触关系以及外环和弹性环之间的接触关系。

其中，接触关系的设置包括：

在回弹分析步中设置内环和弹性环之间的接触关系，作为第一接触关系，并在转动分析步继承所述第一接触关系。

在初始分析步中设置外环和弹性环之间的接触关系，作为第二接触关系，并在压力加载分析步、回弹分析步和转动分析步继承所述第二接触关系。

其中，第一接触关系中的接触特性为第一接触特性，第二接触关系中的接触特性为第二接触特性，每个接触特性包括摩擦接触算法、摩擦因数和接触类型。其中，在一个示意性实施例中，摩擦接触算法选择罚函数法，摩擦因数的值设置为预设值，基于接触零件的材料确定。接触类型选择为硬接触。

进一步地，在本发明实施例中，所述边界条件包括：参考点与内环之间的刚体约束关系；参考点与外环之间的刚体约束关系；弹性环上的压力载荷施加区域和施加到压力载荷施加区域上的压力载荷；弹性环的约束条件；其中，参考点为所述仿真模型所属坐标系中的Z轴上的一个点，可基于实际需要设置。其中，仿真模型所属坐标系的原点为目标滚动式汇流环的中心点，X轴为内环的水平直径方向，Y轴为内环的竖直直径方向，Z轴为目标滚动式汇流环的中心轴，如图2所示。所述压力载荷的大小被设置为使得弹性环的变形量大于等于弹性环的压缩量。

进一步地，边界条件的设置可包括：

（1）在初始分析步中设置参考点与内环之间的刚体约束关系，作为第一刚体约束关系，并在压力加载分析步、弹性环自由回弹分析步和内环转动分析步继承所述第一刚体约束关系。

具体地，在初始分析步建立参考点的6自由度全约束边界条件，并在压力加载分析步、回弹分析步和转动分析步中继承此约束条件。在回弹分析步中，设置参考点即内环沿轴线方向的角速度为a，若内环的转速为b（单位为r/min），则a=2πb/60。

（2）在初始分析步中设置参考点与外环之间的刚体约束关系，作为第二刚体约束关系，并在压力加载分析步、回弹分析步和转动分析步继承所述第二刚体约束关系。

具体地，在初始分析步中设置参考点的6自由度全约束边界条件，作为第二刚体约束关系，并在压力加载分析步、回弹分析步和转动分析步继承所述第二刚体约束关系。

（3）在弹性环上设置压力载荷施加区域以及施加到所述压力载荷施加区域上的压力载荷，以及设置仅在所述压力分析步中激活所述压力载荷。通过施加压力载荷，使弹性环发生弹性变形，变形量大于等于弹性环与内环的干涉量θ，以实现弹性环的压缩变形装配。

在本发明实施例中，所述压力载荷施加区域通过第一分割面和第二分割面对弹性环的外环面进行分割得到，如图2中的标记A所示出的区域具体，压力载荷施加区域为位于第一分割面和第二分割面之间且靠近内环的弹性环的外环面区域。其中，第一分割面由基准面绕弹性环中轴线顺时针旋转设定角度α得到，第二分割面由基准面绕弹性环中轴线逆时针旋转设定角度α得到，即所述压力载荷施加区域靠近所述内环并且对应的圆心角等于2α。其中，所述基准面为通过弹性环中轴线与对应仿真模型的坐标原点的平面。

在一个示意性实施例中，α=5°。

（4）在初始分析步中设置弹性环的上端面和下端面在Z轴的约束边界条件，使得所述弹性环只能在XY平面内运动。

本领域技术人员知晓，在初始分析步中设置弹性环的上端面和下端面在Z轴的约束边界条件，使得所述弹性环只能在XY平面内运动可为现有技术。

S130，按照弹性环的外径依次递增的方式，对所述基础仿真模型中的弹性环的外径进行n-1次调整，并基于每次调整后的弹性环的外径对关联的变量参数进行调整，得到n个仿真模型。n可为自定义值，可基于实际设计的滚动式汇流环的结构确定。

进一步地，S130可具体包括：

S1301，设置j=1；

S1302，如果j≤n-1，执行S1303。

S1303，设置第j个调整仿真模型的弹性环的外径D

S1304，基于D

在本发明实施例中，基础仿真模型对应的压力载荷即弹性环外径最小的模型对应的压力载荷可基于试验确定。

S1305，基于所述基础仿真模型和n-1个调整仿真模型，得到n个仿真模型，作为n个求解文件。

进一步地，S130可通过现有的工业仿真软件例如Abaqus.inp批量生成。具体，在汇流环结构优化阶段，若弹性环D

S200，采用多分析步的仿真步骤对所述仿真模型进行仿真，得到对应的仿真结果。

在本发明实施例中，S200可基于超级计算机实现。进一步地，S200具体包括：

将所述仿真模型作为求解文件，并将每个求解文件提交至对应的计算节点资源并进行求解，得到对应的求解结果，作为仿真结果。

在本发明实施例中，由于超级计算机的操作系统为Linux系统，因此要采用shell脚本来执行用户的操作指令。根据仿真需求，需要撰写任务提交和任务调度两个脚本，以通过任务提交脚本和任务调度脚本将每个求解文件提交至对应的计算节点资源。所述任务提交脚本用于调用计算节点资源、识别求解文件，并调用工业仿真软件中的求解器完成所述求解文件的计算，以生成求解结果。所述任务调度脚本用于调用所述任务提交脚本，实现所有求解文件的提交，具体可包括：

S201，在所述指定文件夹中设置第r子文件夹，并将第r个求解文件移动至所述第r子文件夹中；r的取值为1到n；

S202，将所述任务提交脚本复制至第r子文件夹中，并将所述第r子文件夹中的任务提交脚本所提交的求解文件的名称修改为对应的指定文件名C1r；

S203，执行第r子文件夹中的任务提交脚本对对应的求解文件进行提交；

S204，设置r=r+1，如果r≤n，执行S201，否则，退出当前控制程序。

具体地，以Abaqus为例，任务提交脚本和任务调度脚本的设置包括：

S1，将任务提交脚本的名字命名为Submit.sh，其存放位置为文件夹Opt，所实现的功能为：调用超级计算机的计算节点资源，识别文件夹内的Abaqus求解文件（例如Opt1.inp），调用安装在超级计算机系统的Abaqus求解器，完成求解文件的计算，并生成求解结果Optx.odb（x=1，2，3，……，n）文件，并存放在Opt中。

S2，将任务调度脚本的名字命名为Dispatch.sh，功能实现的顺序为：

（1）先在Opt文件夹中创建新的文件夹Optx；（2）将Opt文件夹中的Optx.inp求解文件移动至文件夹Optx中；（3）将Opt文件夹中的Submit.sh复制至文件夹Optx中；（4）进入文件夹Optx；（5）修改文件夹Optx中Submit.sh所提交求解文件的名称为Optx.inp；（6）采用任务提交命令进行Submit.sh的求解任务提交；（7）返回上层文件夹Opt；（8）依次重复（1）至（7）命令，直至将n个求解任务（Opt1.inp至Optn.inp）提交结束为止。

进一步地，在S200中，第h个求解文件通过对应的计算节点资源R

S210，计算节点资源R

S212，获取第h个求解文件对应的弹性环与内环相切的节点的位移△x

本领域技术人员知晓，获取第h个求解文件对应的弹性环与内环相切的节点的位移可为现有技术。

在本发明实施例中，当前压力载荷的增加值等于当前压力载荷乘以预设系数b，0＜b＜1。b可为经验值。在一个示意性实施例中，b=0.05至0.1，优选，b=0.05。

本领域技术人员知晓，弹性分析步不收敛可基于现有技术确定。

S300，基于所述仿真结果，获取所述目标滚动式汇流环的目标结构参数。

在本发明实施例中，S300可通过超级计算机实现。进一步地，S300可具体包括：

S310，对n个仿真结果进行处理，得到对应的n个处理结果，每个处理结果包括对应的弹性环所有节点的应力值、弹性环的外环面所有节点的接触力值以及最大应力值和最大接触力值。

在本发明实施例中，通过求解结果提取脚本和结果处理脚本实现求解结果的处理。其中，所述求解结果提取脚本用于提取回弹分析步中弹性环所有节点（即每个六面体的顶点）的应力值、弹性环的外环面所有节点的接触力值以及最大应力值和最大接触力值；所述结果处理脚本用于调用所述求解结果提取脚本对所述求解结果进行处理，得到所述处理结果。

进一步地，在一个示意性实施例中，本发明实施例基于Python脚本进行滚动式汇流环求解结果高效处理。具体地，可包括如下步骤：

S10，撰写Python脚本文件Handle.py，其存放位置为文件夹Opt，其功能是提取Optx.odb结果中Step-revovle分析步弹性环所有节点的应力值以及弹性环外环面所有节点的接触力值，并获取应力值和接触力值的最大值，最后输出结果文件Maxx.txt。

S20，撰写结果处理脚本Handle.sh，其功能是调用Python脚本文件，对仿真结果.odb进行后处理。功能实现的顺序为：

（1）在Opt文件夹中创建新的文件夹Max；（2）将Opt文件夹中的Handle.py复制至文件夹Optx中；（3）进入文件夹Optx；（4）修改文件夹Optx中Handle.py所处理的求解结果文件的名称为Optx.odb；（5）执行Handle.py脚本进行Optx.odb的结果数据处理，生成数据处理结果文件Maxx.txt；（6）将Maxx.txt复制至文件夹Max中；（7）返回上层文件夹Opt；（8）依次重复（2）至（7）命令，直至将Opt1.odb至Optn.odb n个求解结果 处理结束为止。

S320，基于所述n个处理结果，获取目标处理结果，以获取所述目标滚动式汇流环的结构参数的最优值。

在本发明实施例中，将数据处理结果文件夹Max从超级计算机系统读取至本地计算机，对n个.txt处理结果文件进行最终处理，根据结构参数优化标准，获取最优结果，获得滚动式汇流环的目标结构参数即最优结构参数，具体为弹性环的外径。在本发明实施例中，根据结构参数优化标准，可基于实际设计的滚动式汇流环的性能确定，本发明不做特别限定。

综上，本发明实施例提供的滚动式汇流环结构参数仿真寻优方法至少具有以下优点：

（1）基于超级计算机的滚动式汇流环流程化，能够高效批量“建模、边界条件设置、网格划分、计算任务求解及结果后处理”；

（2）弹性环装配偏移量的预先设定，能够降低仿真边界条件设置复杂度，保证求解结果的收敛性；

（3）采用多分析步实现滚动式汇流环弹性环压缩装配、自由接触挤压与摩擦滚动，能够还原汇流环实际受载情况；

（4）针对汇流环不同压缩量条件下，压缩载荷需数次测试才能确定合适值，采用预设比例值，再通过循环命令，增大载荷值，能够避免计算任务出现不收敛的情况。

本发明的实施例还提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，该存储介质可设置于电子设备之中以保存用于实现方法实施例中一种方法相关的至少一条指令或至少一段程序，该至少一条指令或该至少一段程序由该处理器加载并执行以实现上述实施例提供的方法。

本发明的实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和前述的非瞬时性计算机可读存储介质。

本发明的实施例还提供一种计算机程序产品，其包括程序代码，当所述程序产品在电子设备上运行时，所述程序代码用于使该电子设备执行本说明书上述描述的根据本发明各种示例性实施方式的方法中的步骤。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本发明的范围和精神。本发明公开的范围由所附权利要求来限定。