刘尚，吴晗，郭霄霞，王凤娟

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

驳接爪是点支式玻璃墙幕驳接件的核心零件，与驳接头、玻璃面板、密封材料和支撑结构体系共同构成玻璃墙幕。对驳接爪结构进行优化设计的主要目的是提高力学性能、疲劳寿命，保证玻璃墙幕结构稳定性和安全性。此外，由于驳接爪在玻璃墙幕中大量使用，轻量化设计也可以减少驳接件施工的成本，并提高施工安全性。

驳接爪按照爪臂结构可分为X 型、H 型和V 型，按照爪臂截面形状可以分为圆形、正方形、和矩形。文献[1]对驳接爪的力学性能和疲劳寿命进行仿真，得出X 型驳接爪综合性能优于H 型和V 型驳接爪，并通过使用ANSYS Workbench 对X 型驳接爪以力学性能和疲劳寿命为目标进行了参数优化设计。文献[2]对X型驳接爪通过有限元分析与试验相结合的方法，研究了破坏模式和极限承载能力。上述研究对于通过结构设计改善驳接爪力学性能和疲劳寿命具有指导意义，但是对于驳接爪轻量化设计，未见相关文献。

目前，轻量化设计常采用的方法是参数优化设计和拓扑优化设计[3-4]。然而，当参数优化设计的设计变量之间存在着约束关系时，优化设计实质上表现为是一种设计参数取值的折中关系，无法引导产生具有突破性的结构方案。拓扑优化设计通过在不同结构区域分布以不同密度分布材料来达到轻量化效果，这种求解策略与TRIZ 理论的局部质量法和性能转化原理相似。TRIZ 理论提供了40 个发明原理来求解概念设计中的设计冲突问题，具有更广泛的求解策略。

将TRIZ 理论与数值仿真技术结合，通过仿真发现结构设计中的设计冲突，并应用TRIZ 获得求解策略，生成设计概念解是近年来结构设计中的一种新方法。SAULI 提出了一种CAD 与TRIZ 结合应用方法，该方法中采用CATIA 建立剪式举升装置的结构模型、采用ABAQUS 做结构分析、采用TRIZ 求解结构问题[5]。Alberto 提出了TRIZ 与遗传算法相结合方法，并用于对酸橙包装箱的结构优化设计[6]。

技术冲突矩阵是TRIZ 理论中一种主要设计冲突求解工具，本文提出将TRIZ 理论的技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 结合来求解X 型驳接爪轻量化设计问题，应用ANSYS Workbench 完成仿真，应用TRIZ技术冲突矩阵求解数值中体现出来的设计冲突。

1 技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 结合应用方法

尽管将TRIZ 理论与数值仿真方法结合应用取得了一定的效果，但是由于TRIZ 理论来源于多领域专利提炼，本身具有抽象性，因此，其求解过程中从问题建模到求解策略实施都需要与具体问题紧密结合。CAVALLUCCI 的研究也表明TRIZ 解的领域化需要严格的符合领域问题的情境，稳健的解应尽可能的减少新资源的引入[7]。在结合应用中需要研究结合设计的过程模型和从仿真数据中提取TRIZ 可识别问题的方法。

1.1 技术冲突矩阵

对于设计冲突主要求解方法包括技术冲突矩阵、ARIZ 算法、物理冲突分析方法等[8-9]。技术冲突矩阵提供了设计冲突与对当前系统修改策略的关联关系，应用技术冲突矩阵所提供的修改策略对系统修改可以消除系统中存在的设计冲突，技术冲突矩阵的结构。见图1 所示。

一个技术冲突，可以用两个相互冲突的技术目标来描述，TRIZ 理论中提供了39 个工程参数为技术目标提供抽象化描述。当我们修改系统中的设计变量取值时，其中某个技术目标i会改善，而另一个技术目标j变得恶化，那么技术目标i和技术目标j之间就存在一个技术冲突，用TRIZ 提供的工程参数来描述为（参数i，参数j）。图1 中，（l, ,m n）是冲突矩阵提供的用于消除这一技术冲突的系统修改策略，称发明原理。

图1 技术冲突矩阵结构

1.2 技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 优化方法的比较

技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 分别适合与处理设计过程概念设计问题和参数化设计问题，表1 从适合的问题、求解方法、结果形式、结果小果和后续处理等几个方面对两者进行了比较。

表1 技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 优化方法的比较

通过比较发现，技术冲突矩阵适合于求解概念设计环节产生的设计冲突问题，求解的结果是消除设计冲突，其结果可进一步使用ANSYS Workbench 进行优化设计。而ANSYS Workbench 进行优化设计的结果不改变原设计的原理结构，仅提供现有设计的最佳数值解，不能消除概念设计环节产生的设计冲突。当最佳数值解仍需进一步优化时，就需要从概念解的角度进行方案优化设计，此时，需要应用TRIZ 理论以强化设计冲突并消除设计冲突，这一点不同于参数优化设计以折中来弱化设计冲突。

ANSYS Workbench 的仿真过程数据为发现原设计中存在的设计冲突提供了数据基础。如果将两者结合，构建概念设计和参数优化设计的设计迭代过程，会提高单独使用任何一种方法的求解效果。

1.3 技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 结合的设计过程模型

图2 所示为技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 结合应用的设计过程模型。其中，关键步骤具体要求阐述如下：

图2 TRIZ 与ANSYS Workbench 结合应用的设计过程模型

（1）确定设计目标。确定目标系统的主要有益功能，围绕主要有益功能确定系统的技术目标。

（2）建立有限元分析模型并计算。根据设计问题，确定边界条件，建立有限元模型，划分网格。进行有限元仿真，根据仿真结果，从技术目标中选取待优化的技术目标作为优化设计目标，确定优化计算的设计变量。

（3）定义TRIZ 形式的冲突问题。从DOE 数据中心分析设计变量与技术目标取值关系，确定技术冲突，并应用技术冲突矩阵找到发明原理。

（4）求解策略。技术冲突矩阵中，对于每一个技术冲突提供0～4 个发明原理，这些发明原理是对系统进行变化的策略，但由于原理来源于多领域具有抽象性，并非都与问题明显相关，因此需要通过对原理的陈述来分析并选择出与问题相关的原理。

（5）选择设计结果。本文所提出的设计过程支持优化设计与TRIZ 循环应用的迭代过程，每一轮迭代都会产生原设计原理结构的优化设计方案和修改后原理结构的具体化设计方案，这两类设计方案都要进入备选集。可综合考虑技术目标、制造成本等从备选集的选择可行设计方案，来终止迭代过程。

1.4 技术冲突的提取方法

DOE 数据体现了设计变量取值和优化目标之间的关系，当设计变量数值变化时，多个技术目标数值会发不同的变化趋势。这种趋势如果向着设计理想目标变化，称之为“设计变量与技术目标正相关”；如果向着涉及理想目标相反的方向变化，称之为“设计变量与技术目标负相关”。当设计变量以某一趋势变化时，同时出现正相关和负相关的技术目标就构成了技术冲突。对于技术冲突求解时，需要将技术冲突与TRIZ 理论的39 个工程参数匹配，形成符合TRIZ 技术冲突模型要求的技术冲突表达，然后使用技术冲突矩阵。图3 中表达了DOE 数据冲突与技术冲突矩阵之间的匹配关系。

例如：图3 中，以一板材厚度作为设计变量，以板材重量和受力情况下变形为技术目标，从图中 ANSYS Workbench DOE 数据中心可以发现，当板材厚度增加时，重量增加（不理想），但是同时总变形会减小（理想），此时，当板材厚度增加的时候，板材重量和总变形就构成了技术冲突。

图3 DOE 数据与技术冲突之间的关系

需要注意的是，TRIZ 理论39 个工程参数是从数百万分专利数据中抽象出来的工程参数语义本体，具有一般性。当技术目标无法匹配到适合的TRIZ 工程参数，则问题不能使用技术冲突矩阵求解。

2 型驳接爪的轻量化设计

2.1 确设计问题

X 型矩形截面驳接爪，材料316 不锈钢，整体宽度250 mm，平面风压载荷2 500 N，重力1500 N。综合考虑轻量化、结构强度、刚度和疲劳寿命等因素，在静载条件下，对其进行再设计。点支撑玻璃幕墙主要受力为自重力和作用在玻璃平面上的风载荷。图4 是X 型竖矩形截面驳接爪结构图。

图4 X 型竖矩形截面驳接爪结构图

2.2 建立有限元模型并计算

考虑驳接臂的转接头和驳接头接口的强度和刚度要求，选择驳接臂的竖矩形截面的宽度为设计变量，根据驳接爪与驳接头联结端高度，限定设计变量臂宽(M)的取值范围[7,11]，材料属性见表2。

表2 316 不锈钢材料属性

驳接爪工作中主要承受风压，在转接头内孔面上添加固定约束B，将驳接头连接柱的底面作为风载荷的受力面，风载荷A 大小为2 500 N，如图5。

图5 驳接爪受力分析图

由于点支式玻璃幕墙玻璃面板本身的重力荷载由专门承受重力荷载的弹簧悬挂点来承受，故没有考虑玻璃的重量。采用UG建立三维实体模型，然后导入到ANSYS 中并划分网格采用默认单元尺寸得到节点数为4 196，单元数为2 022。应用ANSYS workbench 完成如下工作：（1）在设计变量取值范围内选择M=9.1 mm（设计变量定义域内任意数值，即可行设计方案），在载荷条件下，计算等效应力、变形，绘制疲劳敏感曲线（图6）。

图6 化前驳接爪仿真结果

（2）为实现轻量化，以驳接爪的体积最小、强度最大和变形最小为优化设计目标，并验证疲劳寿命，对驳接爪进行参数优化设计，仿真结果见图7。

步骤(1),(2)的计算结果见表3，图7 为优化后的等效应力(a)、变形(b)和疲劳敏感曲线(c)。与优化设计前相比，优化后驳接爪体积减小11.003%，最大应力位置由原来的转接头上表面，转移至驳接爪臂上表面中间位置，最大应力值为明显降低，变形有所增加，但均在刚度、强度条件允许范围之内；优化前在外载荷小于0.7 倍风载时，疲劳寿命不受风载影响，优化后，外载荷小于1 倍风载时，疲劳寿命不受影响。

图7 优化后驳接爪仿真结果

表3 初始设计与优化设计结果对比

2.3 定义TRIZ 形式的冲突问题

由优化计算数据发现，驳接爪臂宽度变化时引起最大效应力位置发生变化，应力数值降低，但也发现其最大应力位置发生变化，因此定义技术冲突为静止物体的体积与强度之间的冲突；总变形位置不变，但是数值从优化前得0.693 45mm 变为优化后的0.861 mm，因此定义技术冲突为静止物体的体积与形状间的冲突，此外，以物体体积作为优化目标在工程上的意义是减少材料的浪费，对于单一材质的零件来说，其体积与重量是成正比的，因此，改善参数也可以加入静止物体的重量。进一步分析发现，所引起的在驳接爪臂宽度参数上的取值冲突构成物理冲突，即如果有宽度值大，那么变形小，体积变大；如果宽度值小，那么变形大，体积小。构建冲突模型如图8 所示，“√”表示技术目标改善，“X”表示技术目标恶化，“+”表示参数取值增大。由于使用单一材料，体积和重量成正比，同时采用重量和体积是为了从多角度获得发明原理提示，所以提炼出多个冲突，列写为冲突列表，见表4。

表4 设计冲突表

图8 驳接爪设计冲突模型

选择TRIZ 原理解2（抽取），14（曲面化）。其中，“曲面化”原理陈述：①将直线部分用曲线代替，平面用球面代替，立方体结构改成球体结构。②使用滚筒、球体、螺旋状等结构。③从直线运动改成回旋运动，利用离心力。“抽取”原理陈述：①从物体中抽出产生负面影响（干扰）的部分或属性。②只从物体中抽取必要的部分或属性。参照抽取原理，将产生负面效应的因素(消耗材料而不承担应力的部分)抽出，引入参数T，表示槽深；参照曲面化原理，将臂顶部曲面化，引入参数R，表示臂顶部曲率半径，新结构见图9。仿真数据见图10，经验数据、优化设计、TRIZ 产生的设计方案3 种的数据见表5。

表5 3 种设计方案数据列表

图9 X 型竖矩形驳接爪新结构

图10 应用TRIZ求解后驳接爪的仿真结果

图中R表示爪臂顶部弧线半径，T表示臂测开槽深度。上述3个设计方案都能满足强度、刚度和疲劳寿命的要求，但应用TRIZ 获得的解改变了结构，与参数优化设计对比，应力、变形、体积具有改善。其中，应用TRIZ 理论获得的方案的驳接爪的体积与参数优化设计结果相比，减小了4.036%，与优化前的数据比较，减小了14.59%。本文中，TRIZ 推出的方案可进一步选择设计变量X= [R,M,T]进行参数优化设计，进入设计迭代。

3 结论

将TRIZ 理论的技术冲突矩阵与ANSYS Workbench 结合应用，构建设计迭代过程，能够将参数优化设计环节与概念设计环节通过仿真数据结合。ANSYS Workbench 优化设计中产生的DOE 数据表是分析提炼技术冲突的基础。以此方法对X 型竖矩形截面驳接爪进行轻量化设计，所得到的解在满足刚度、强度、疲劳寿命要求的前提下，其体积比原设计减小了14.59%，比原设计参数优化后的结果减小了4.036%，由于驳接爪使用单一材料，因此，体积变化既是重量变化。