Хвала вам што сте посетили Nature.com. Користите верзију прегледача са ограниченом CSS подршком. Цев од нерђајућег челика За најбоље искуство, препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). Поред тога, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказујемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном. Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда истовремено или користите клизаче на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
У овој студији, дизајн торзионих и компресионих опруга механизма за склапање крила који се користи у ракети, сматра се проблемом оптимизације. Након што ракета напусти лансирну цев, затворена крила морају се отворити и осигурати одређено време. Циљ студије био је максимизирање енергије ускладиштене у опругама како би се крила могла расклопити у најкраћем могућем року. У овом случају, једначина енергије у обе публикације је дефинисана као циљна функција у процесу оптимизације. Пречник жице, пречник завојнице, број завојница и параметри отклона потребни за дизајн опруге дефинисани су као променљиве оптимизације. Постоје геометријска ограничења променљивих због величине механизма, као и ограничења фактора сигурности због оптерећења које носе опруге. Алгоритам медоносне пчеле (BA) коришћен је за решавање овог проблема оптимизације и извођење дизајна опруге. Вредности енергије добијене помоћу BA су супериорније од оних добијених из претходних студија дизајна експеримената (DOE). Опруге и механизми дизајнирани коришћењем параметара добијених оптимизацијом прво су анализирани у програму ADAMS. Након тога, спроведена су експериментална испитивања интегрисањем произведених опруга у стварне механизме. Као резултат испитивања, примећено је да су се крила отворила након око 90 милисекунди. Ова вредност је знатно испод циља пројекта од 200 милисекунди. Поред тога, разлика између аналитичких и експерименталних резултата је само 16 ms.
У авионима и морским возилима, механизми за склапање цеви од нерђајућег челика су кључни. Ови системи се користе у модификацијама и конверзијама авиона како би се побољшале перформансе лета и контрола. У зависности од режима лета, крила се различито склапају и расклапају како би се смањио аеродинамички утицај1. Ова ситуација се може упоредити са покретима крила неких птица и инсеката током свакодневног лета и роњења. Слично томе, једрилице се склапају и расклапају у подморницама како би се смањили хидродинамички ефекти и максимизирало руковање3. Још једна сврха ових механизама је да обезбеде волуметријске предности системима као што је склапање пропелера хеликоптера4 за складиштење и транспорт. Крила ракете се такође склапају како би се смањио простор за складиштење. Дакле, више ракета може се поставити на мању површину лансера5. Компоненте које се ефикасно користе при склапању и расклапању су обично опруге. У тренутку склапања, енергија се складишти у њој и ослобађа у тренутку расклапања. Због своје флексибилне структуре, ускладиштена и ослобођена енергија се изједначавају. Опруга је углавном дизајнирана за систем, а овај дизајн представља проблем оптимизације6. Јер, иако укључује разне варијабле као што су пречник жице, пречник калема, број намотаја, угао спирале и врста материјала, постоје и критеријуми као што су маса, запремина, минимална расподела напона или максимална расположива енергија7.
Ова студија баца светло на дизајн и оптимизацију опруга за механизме склапања крила који се користе у ракетним системима. Налазећи се унутар лансирне цеви пре лета, крила остају склопљена на површини ракете, а након изласка из лансирне цеви, она се расклапају одређено време и остају притиснута на површину. Овај процес је критичан за правилно функционисање ракете. У развијеном механизму склапања, отварање крила врше торзионе опруге, а закључавање компресионе опруге. Да би се пројектовала одговарајућа опруга, мора се извршити процес оптимизације. У оквиру оптимизације опруга, у литератури постоје различите примене.
Паредес и др.8 дефинисали су максимални фактор века трајања замора као циљну функцију за пројектовање спиралних опруга и користили су квази-Њутновску методу као метод оптимизације. Променљиве у оптимизацији идентификоване су као пречник жице, пречник завојнице, број намотаја и дужина опруге. Још један параметар структуре опруге је материјал од ког је направљена. Стога је ово узето у обзир у студијама пројектовања и оптимизације. Зебди и др.9 поставили су циљеве максималне крутости и минималне тежине у циљној функцији у својој студији, где је фактор тежине био значајан. У овом случају, дефинисали су материјал опруге и геометријска својства као променљиве. Користе генетски алгоритам као метод оптимизације. У аутомобилској индустрији, тежина материјала је корисна на много начина, од перформанси возила до потрошње горива. Минимизирање тежине уз оптимизацију спиралних опруга за вешање је добро позната студија10. Бахшеш и Бахшеш11 идентификовали су материјале као што су Е-стакло, угљеник и кевлар као променљиве у свом раду у ANSYS окружењу са циљем постизања минималне тежине и максималне затезне чврстоће у различитим дизајнима композитних опруга вешања. Процес производње је кључан у развоју композитних опруга. Стога, различите варијабле долазе у обзир у проблему оптимизације, као што су метод производње, кораци предузети у процесу и редослед тих корака12,13. Приликом пројектовања опруга за динамичке системе, морају се узети у обзир природне фреквенције система. Препоручује се да прва природна фреквенција опруге буде најмање 5-10 пута већа од природне фреквенције система како би се избегла резонанција14. Тактак и др.7 су одлучили да минимизирају масу опруге и максимизирају прву природну фреквенцију као циљне функције у дизајну спиралне опруге. Користили су методе претраживања образаца, унутрашње тачке, активног скупа и генетског алгоритма у алату за оптимизацију Matlab. Аналитичко истраживање је део истраживања дизајна опруга, а метода коначних елемената је популарна у овој области15. Патил и др.16 су развили метод оптимизације за смањење тежине компресионе спиралне опруге коришћењем аналитичке процедуре и тестирали аналитичке једначине коришћењем методе коначних елемената. Још један критеријум за повећање корисности опруге је повећање енергије коју може да складишти. Овај случај такође осигурава да опруга задржи своју корисност током дужег временског периода. Рахул и Рамешкумар17 настоје да смање запремину опруге и повећају енергију деформације у дизајну спиралних опруга аутомобила. Такође су користили генетске алгоритме у истраживању оптимизације.
Као што се може видети, параметри у студији оптимизације варирају од система до система. Генерално, параметри крутости и смицајног напона су важни у систему где је оптерећење које носи одлучујући фактор. Избор материјала је укључен у систем ограничења тежине са ова два параметра. С друге стране, природне фреквенције се проверавају како би се избегле резонанције у високо динамичним системима. У системима где је корисност важна, енергија је максимизирана. У студијама оптимизације, иако се МКЕ користи за аналитичке студије, може се видети да се метахеуристички алгоритми као што су генетски алгоритам14,18 и алгоритам сивог вука19 користе заједно са класичном Њутновом методом у опсегу одређених параметара. Метахеуристички алгоритми су развијени на основу метода природне адаптације које се приближавају оптималном стању у кратком временском периоду, посебно под утицајем популације20,21. Са случајном расподелом популације у подручју претраге, они избегавају локалне оптимуме и крећу се ка глобалним оптимумима22. Стога се последњих година често користи у контексту стварних индустријских проблема23,24.
Критични случај за механизам склапања развијен у овој студији је да се крила, која су била у затвореном положају пре лета, отварају одређено време након напуштања цеви. Након тога, елемент за закључавање блокира крило. Стога, опруге не утичу директно на динамику лета. У овом случају, циљ оптимизације био је максимизирање ускладиштене енергије како би се убрзало кретање опруге. Пречник ваљка, пречник жице, број ваљака и отклон дефинисани су као параметри оптимизације. Због мале величине опруге, тежина није сматрана циљем. Стога је тип материјала дефинисан као фиксни. Маргина сигурности за механичке деформације одређена је као критично ограничење. Поред тога, ограничења променљиве величине су укључена у обим механизма. Метахеуристичка метода BA је изабрана као метод оптимизације. BA је фаворизована због своје флексибилне и једноставне структуре, као и због свог напретка у истраживању механичке оптимизације25. У другом делу студије, детаљни математички изрази су укључени у оквир основног дизајна и дизајна опруге механизма за склапање. Трећи део садржи алгоритам оптимизације и резултате оптимизације. Поглавље 4 спроводи анализу у програму ADAMS. Погодност опруга је анализирана пре производње. Последњи одељак садржи експерименталне резултате и тест слике. Резултати добијени у студији су такође упоређени са претходним радом аутора коришћењем DOE приступа.
Крила развијена у овој студији требало би да се савијају према површини ракете. Крила се ротирају из склопљеног у расклопљени положај. За то је развијен посебан механизам. На слици 1 приказана је склопљена и расклопљена конфигурација5 у координатном систему ракете.
На сл. 2 приказан је пресек механизма. Механизам се састоји од неколико механичких делова: (1) главног тела, (2) вратила крила, (3) лежаја, (4) тела браве, (5) чауре браве, (6) граничног клина, (7) торзионе опруге и (8) компресионих опруга. Вратило крила (2) је повезано са торзионом опругом (7) преко закључавајуће чауре (4). Сва три дела се истовремено ротирају након полетања ракете. Овим ротационим кретањем, крила се окрећу у свој коначни положај. Након тога, клин (6) се активира компресионом опругом (8), чиме се блокира цео механизам тела за закључавање (4)5.
Модул еластичности (E) и модул смицања (G) су кључни параметри дизајна опруге. У овој студији, као материјал опруге изабрана је жица од високоугљеничног челика за опруге (Music wire ASTM A228). Остали параметри су пречник жице (d), просечан пречник намотаја (Dm), број намотаја (N) и угиб опруге (xd за компресионе опруге и θ за торзионе опруге)26. Ускладиштена енергија за компресионе опруге \({(SE}_{x})\) и торзионе (\({SE}_{\theta}\)) опруге може се израчунати из једначине. (1) и (2)26. (Вредност модула смицања (G) за компресиону опругу је 83,7E9 Pa, а вредност модула еластичности (E) за торзиону опругу је 203,4E9 Pa.)
Механичке димензије система директно одређују геометријска ограничења опруге. Поред тога, треба узети у обзир и услове у којима ће се ракета налазити. Ови фактори одређују границе параметара опруге. Још једно важно ограничење је фактор сигурности. Дефиницију фактора сигурности детаљно су описали Шигли и др.26. Фактор сигурности компресионе опруге (SFC) је дефинисан као максимално дозвољени напон подељен напоном преко континуиране дужине. SFC се може израчунати помоћу једначина (3), (4), (5) и (6)26. (За материјал опруге који се користи у овој студији, \({S}_{sy}=980 MPa\)\). F представља силу у једначини, а KB представља Бергштрасеров фактор од 26.
Фактор сигурности при торзији опруге (SFT) дефинисан је као M подељено са k. SFT се може израчунати из једначина (7), (8), (9) и (10)26. (За материјал коришћен у овој студији, \({S}_{y}=1600 \mathrm{MPa}\)). У једначини, M се користи за обртни момент, \({k}^{^{\prime}}\) се користи за константу опруге (обртни момент/ротација), а Ki се користи за фактор корекције напона.
Главни циљ оптимизације у овој студији је максимизирање енергије опруге. Циљна функција је формулисана да би се пронашла функција (\overrightarrow{\{X\}}) која максимизира \(f(X)\). \({f}_{1}(X)\) и \({f}_{2}(X)\) су енергетске функције компресионе и торзионе опруге, респективно. Израчунате променљиве и функције коришћене за оптимизацију приказане су у следећим једначинама.
Различита ограничења постављена на дизајн опруге дата су у следећим једначинама. Једначине (15) и (16) представљају факторе сигурности за компресионе и торзионе опруге, респективно. У овој студији, SFC мора бити већи или једнак 1,2, а SFT мора бити већи или једнак θ26.
Алгоритамска алгоритамска анализа (БА) је инспирисана стратегијама пчела за тражење полена27. Пчеле траже тако што шаљу више пчела сакупљачица на плодна поленска поља, а мање пчела сакупљачица на мање плодна поленска поља. Тако се постиже највећа ефикасност популације пчела. С друге стране, извиђачице настављају да траже нова подручја полена, и ако има више продуктивних подручја него раније, многе пчеле сакупљачице ће бити усмерене на ово ново подручје28. БА се састоји од два дела: локалне претраге и глобалне претраге. Локална претрага тражи више заједница близу минимума (елитна места), попут пчела, и мање тражи друга места (оптимална или одабрана места). У делу глобалне претраге се врши произвољна претрага, и ако се пронађу добре вредности, станице се премештају у део локалне претраге у следећој итерацији. Алгоритам садржи неке параметре: број извиђачица (n), број локалних места претраге (m), број елитних места (e), број пчела сакупљачица на елитним местима (nep), број пчела сакупљачица у оптималним подручјима, величину места (nsp), величину насеља (ngh) и број итерација (I)29. BA псеудокод је приказан на слици 3.
Алгоритам покушава да ради између \({g}_{1}(X)\) и \({g}_{2}(X)\). Као резултат сваке итерације, одређују се оптималне вредности и популација се окупља око тих вредности у покушају да се добију најбоље вредности. Ограничења се проверавају у одељцима локалне и глобалне претраге. У локалној претрази, ако су ови фактори одговарајући, израчунава се енергетска вредност. Ако је нова енергетска вредност већа од оптималне вредности, нова вредност се додељује оптималној вредности. Ако је најбоља вредност пронађена у резултату претраге већа од тренутног елемента, нови елемент ће бити укључен у колекцију. Блок дијаграм локалне претраге је приказан на слици 4.
Популација је један од кључних параметара у БА. Из претходних студија се може видети да проширење популације смањује број потребних итерација и повећава вероватноћу успеха. Међутим, број функционалних процена се такође повећава. Присуство великог броја елитних локација не утиче значајно на перформансе. Број елитних локација може бити низак ако није нула30. Величина популације пчела извиђача (n) се обично бира између 30 и 100. У овој студији, покренуто је и 30 и 50 сценарија да би се одредио одговарајући број (Табела 2). Остали параметри се одређују у зависности од популације. Број одабраних локација (m) је (приближно) 25% величине популације, а број елитних локација (e) међу одабраним локацијама је 25% од m. Број пчела које се хране (број претрага) је изабран да буде 100 за елитне парцеле и 30 за остале локалне парцеле. Претрага суседства је основни концепт свих еволутивних алгоритама. У овој студији коришћена је метода сужавања суседа. Ова метода смањује величину суседства одређеном брзином током сваке итерације. У будућим итерацијама, мање вредности суседства30 могу се користити за прецизнију претрагу.
За сваки сценарио, извршено је десет узастопних тестова како би се проверила репродуктивност алгоритма оптимизације. На слици 5 приказани су резултати оптимизације торзионе опруге за шему 1, а на слици 6 – за шему 2. Подаци тестова су такође дати у табелама 3 и 4 (табела која садржи резултате добијене за компресијску опругу налази се у Додатним информацијама S1). Популација пчела интензивира потрагу за добрим вредностима у првој итерацији. У сценарију 1, резултати неких тестова били су испод максимума. У сценарију 2, може се видети да се сви резултати оптимизације приближавају максимуму због повећања популације и других релевантних параметара. Може се видети да су вредности у сценарију 2 довољне за алгоритам.
Приликом добијања максималне вредности енергије у итерацијама, фактор сигурности је такође дат као ограничење за студију. Видети табелу за фактор сигурности. Вредности енергије добијене коришћењем BA упоређене су са онима добијеним коришћењем 5 DOE методе у Табели 5. (Ради лакше производње, број обртаја (N) торзионе опруге је 4,9 уместо 4,88, а отклон (xd) је 8 мм уместо 7,99 мм код компресионе опруге.) Може се видети да BA има бољи резултат. BA процењује све вредности путем локалних и глобалних претрага. На овај начин може брже да испроба више алтернатива.
У овој студији, Адамс је коришћен за анализу кретања механизма крила. Адамсу је прво дат 3Д модел механизма. Затим је дефинисана опруга са параметрима изабраним у претходном одељку. Поред тога, потребно је дефинисати и неке друге параметре за стварну анализу. То су физички параметри као што су везе, својства материјала, контакт, трење и гравитација. Постоји обртни спој између осовине лопатице и лежаја. Постоји 5-6 цилиндричних спојева. Постоји 5-1 фиксних спојева. Главно тело је направљено од алуминијумског материјала и фиксно је. Материјал осталих делова је челик. Изаберите коефицијент трења, крутост контакта и дубину продирања површине трења у зависности од врсте материјала. (нерђајући челик AISI 304) У овој студији, критични параметар је време отварања механизма крила, које мора бити мање од 200 ms. Стога, током анализе, пратите време отварања крила.
Као резултат Адамсове анализе, време отварања механизма крила је 74 милисекунде. Резултати динамичке симулације од 1 до 4 приказани су на слици 7. Прва слика на слици 5 је време почетка симулације и крила су у положају чекања за склапање. (2) Приказује положај крила након 40 мс када се крило ротирало за 43 степена. (3) приказује положај крила након 71 милисекунде. Такође, на последњој слици (4) приказан је крај окрета крила и отворени положај. Као резултат динамичке анализе, примећено је да је механизам отварања крила знатно краћи од циљне вредности од 200 мс. Поред тога, приликом димензионисања опруга, границе безбедности су изабране из највиших вредности препоручених у литератури.
Након завршетка свих студија дизајна, оптимизације и симулације, произведен је и интегрисан прототип механизма. Прототип је затим тестиран како би се верификовали резултати симулације. Прво је причвршћена главна шкољка и склопљена су крила. Затим су крила отпуштена из склопљеног положаја и направљен је видео ротације крила из склопљеног у расклопљени положај. Тајмер је такође коришћен за анализу времена током снимања видеа.
На слици 8 приказани су видео фрејмови означени бројевима 1-4. Фрејм број 1 на слици приказује тренутак отпуштања склопљених крила. Овај тренутак се сматра почетним тренутком времена t0. Фрејмови 2 и 3 приказују положаје крила 40 ms и 70 ms након почетног тренутка. Приликом анализе фрејмова 3 и 4, може се видети да се кретање крила стабилизује 90 ms након t0, а отварање крила је завршено између 70 и 90 ms. Ова ситуација значи да и симулација и тестирање прототипа дају приближно исто време расклапања крила, а дизајн испуњава захтеве перформанси механизма.
У овом чланку, торзионе и компресионе опруге које се користе у механизму за склапање крила оптимизоване су коришћењем BA. Параметри се могу брзо постићи са неколико итерација. Торзиона опруга је оцењена на 1075 mJ, а компресиона опруга на 37,24 mJ. Ове вредности су 40-50% боље од претходних DOE студија. Опруга је интегрисана у механизам и анализирана у ADAMS програму. Приликом анализе, утврђено је да су се крила отворила у року од 74 милисекунде. Ова вредност је знатно испод циља пројекта од 200 милисекунди. У каснијој експерименталној студији, измерено је време укључивања од око 90 ms. Ова разлика од 16 милисекунди између анализа може бити последица фактора околине који нису моделирани у софтверу. Верује се да се алгоритам оптимизације добијен као резултат студије може користити за различите дизајне опруга.
Материјал опруге је био унапред дефинисан и није коришћен као променљива у оптимизацији. Пошто се у авионима и ракетама користи много различитих врста опруга, БАП ће се применити за пројектовање других врста опруга коришћењем различитих материјала како би се постигао оптималан дизајн опруге у будућим истраживањима.
Изјављујемо да је овај рукопис оригиналан, да раније није објављен и да се тренутно не разматра за објављивање на другом месту.
Сви подаци генерисани или анализирани у овој студији укључени су у овај објављени чланак [и додатну датотеку са информацијама].
Мин, З., Кин, ВК и Ричард, ЛЈ Модернизација концепта аеропрофила кроз радикалне геометријске промене. IES J. Део А Цивилизација. састав. пројекат. 3(3), 188–195 (2010).
Сун, Ј., Лиу, К. и Бхушан, Б. Преглед задњег крила бубе: структура, механичка својства, механизми и биолошка инспирација. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 94, 63–73 (2019).
Чен, З., Ју, Ј., Жанг, А. и Жанг, Ф. Пројектовање и анализа склопивог погонског механизма за хибридну подводну једрилицу. Ocean Engineering 119, 125–134 (2016).
Картик, ХС и Притхви, К. Пројектовање и анализа механизма за склапање хоризонталног стабилизатора хеликоптера. унутрашњи резервоар за складиштење. технологија. (IGERT) 9(05), 110–113 (2020).
Кулунк, З. и Сахин, М. Оптимизација механичких параметара конструкције склопивог ракетног крила коришћењем приступа пројектовања експеримента. internal J. Model. optimization. 9(2), 108–112 (2019).
Ке, Ј., Ву, З.Ј., Лиу, Ј.С., Сјанг, З. и Ху, XD метода пројектовања, студија перформанси и процес производње композитних спиралних опруга: преглед. compose. composition. 252, 112747 (2020).
Тактак М., Омхени К., Алуи А., Дамак Ф. и Кадар М. Динамичка оптимизација дизајна спиралних опруга. Примена за звук. 77, 178–183 (2014).
Паредес, М., Сартор, М. и Маскл, К. Поступак за оптимизацију дизајна затезних опруга. рачунар. примена методе. пројекат. 191(8-10), 783-797 (2001).
Зебди О., Бухили Р. и Трочу Ф. Оптимално пројектовање композитних спиралних опруга коришћењем вишециљне оптимизације. J. Reinf. plastic. compose. 28 (14), 1713–1732 (2009).
Паварт, ХБ и Десејл, ДД Оптимизација спиралних опруга предњег вешања трицикла. процес. произвођач. 20, 428–433 (2018).
Бахшеш М. и Бахшеш М. Оптимизација челичних спиралних опруга са композитним опругама. Интернал Ј. Мултидисциплинарни. Научни пројекат. 3(6), 47–51 (2012).
Чен, Л. и др. Сазнајте више о многим параметрима који утичу на статичке и динамичке перформансе композитних спиралних опруга. J. Market. storage tank. 20, 532–550 (2022).
Френк, Ј. Анализа и оптимизација композитних спиралних опруга, докторска дисертација, Државни универзитет у Сакраменту (2020).
Гу, З., Хоу, Кс. и Је, Ј. Методе за пројектовање и анализу нелинеарних спиралних опруга коришћењем комбинације метода: анализа коначних елемената, ограничено узорковање латинском хиперкоцком и генетско програмирање. процес. Институт за крзно. пројекат. CJ Mecha. пројекат. наука. 235(22), 5917–5930 (2021).
Ву, Л. и др. Вишежилне спиралне опруге од угљеничних влакана са подесивом чврстоћом опруге: студија дизајна и механизма. J. Market. storage tank. 9(3), 5067–5076 (2020).
Патил Д.С., Мангрулкар К.С. и Јагтап С.Т. Оптимизација тежине компресионих спиралних опруга. унутрашњи J. Innov. резервоар за складиштење. Мултидисциплинарни. 2(11), 154–164 (2016).
Рахул, МС и Рамешкумар, К. Вишенаменска оптимизација и нумеричка симулација спиралних опруга за аутомобилске примене. алма матер. process today. 46. ​​4847–4853 (2021).
Баи, ЈБ и др. Дефинисање најбоље праксе – Оптимално пројектовање композитних спиралних структура коришћењем генетских алгоритама. compose. composition. 268, 113982 (2021).
Шахин, И., Дортерлер, М. и Гокче, Х. Коришћење методе оптимизације 灰狼 засноване на оптимизацији минималне запремине дизајна компресионе опруге, Ghazi J. Engineering Science, 3(2), 21–27 (2017).
Аје, К.М., Фолди, Н., Јилдиз, АР, Бурират, С. и Саит, С.М. Метахеуристике коришћењем вишеструких агената за оптимизацију судара. internal J. Veh. dec. 80(2–4), 223–240 (2019).
Јилдиз, АР и Ердаш, МУ Нови хибридни алгоритам оптимизације Тагучи-салпа групе за поуздано пројектовање реалних инжењерских проблема. алма матер. тест. 63(2), 157–162 (2021).
Јилдиз БС, Фолди Н., Бурерат С., Јилдиз АР и Саит СМ Поуздан дизајн роботских механизама хватаљке коришћењем новог хибридног алгоритма оптимизације скакаваца. експертски систем. 38(3), e12666 (2021).