CN102096748B - 一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精冲压力机技术领域，具体涉及一种轻量化大刚度精冲压力机的机身的优化设计方法。一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法，其特征在于它包括如下步骤：1)、精冲压力机机身的粗略设计；2)、根据粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图来判断步骤1)所述的粗略CAD模型是否有优化空间，如有优化空间，则进行下一步骤。3)、粗略设计机身的刚度、固有频率的优化，找到刚度、固有频率的优化空间；4)、采用折衷规划法对粗略设计机身的多目标优化；5)、拓扑优化的机身的尺寸优化；6)采用自适应响应面法对步骤5)模型机身的尺寸优化，得到优化后的精冲压力机机身的模型。，该方法能保证设计动态指标、静态指标的可靠，成本达到最低。

Description

一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法

技术领域

本发明属于精冲压力机技术领域，具体涉及一种轻量化大刚度精冲压力机的机身的优化设计方法。

背景技术

精冲作为一种精密成形技术，具有优质、高效、低耗的特点，已广泛应用于汽车、摩托车、仪器仪表、轻工机械、家用电器和办公设备等领域。大型精冲压力机是汽车、航空航天、兵器和高科技领域必备的基础制造装备，是为保证经济和国防安全而必须自主掌握的重大装备之一。国内在10000KN以上大吨位精冲设备的研发方面处于空白状态，而国内目前进口精冲压力机机最大吨位仅为8800KN，无法制造大型精冲件，由此无法满足国内相关领域对大型精冲件(如汽车发动机法兰、大飞机刹车片等)制造能力的要求。

机床静、动态性能是衡量设计方案优劣的重要的性能指标。本机公称压力高达10000KN，对于精冲工艺，由于精冲模具的冲裁间隙非常小，因而要求在冲裁过程中滑块具有较高的运动精度。这就是说，应当尽可能的避免模具及凸凹模之间在水平及垂直方向上产生偏离理想垂直运动的相对位移。为此，要求精冲压力机在垂直方向和水平方向上都具有很高的刚度。同时，本机设计要求每分钟冲裁30-40次。因此，机床(或称机身)的动态性能是成为其整体性能的重要构成。确立结构的模态参数是评价结构设计的重要参数，也是分析结构产生振动和噪声的依据。

在传统的生产设计流程中，工程师们往往根据经验和技术要求设计出机身的大致形状，并加工出来，对物理样机进行实验。可能会导致质量过大、关键部位强度、刚度不够、动态特性差等问题。传统的设计流程不但使产品设计的周期比较长，而且设计的成本也很巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法，该方法能保证设计动态指标、静态指标的可靠，降低成本。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)、精冲压力机机身的粗略设计：根据粗略设计要求的公称压力、滑块行程、主冲程调整量、闭合高度、最大开启高度、工作台板尺寸找到精冲压力机机身的粗略CAD模型；

2)、将粗略设计机身的底面用四个地脚螺栓固定，上工作台面、下工作台面各加10000KN的载荷；采用有限元分析方法作出粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图；然后根据粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图来判断步骤1)所述的粗略CAD模型是否有优化空间，如有优化空间，则进行下一步骤。

3)、粗略设计机身的刚度、固有频率的优化，优化问题定义如下：①设计目标：机身的刚度和一阶固有频率分别最大；②约束条件：体积限制为原来的60％；③设计变量：机身的空间单元分布；找到刚度、固有频率的优化空间；

4)、采用折衷规划法对粗略设计机身的多目标优化[即步骤3)的刚度单目标、固有频率单目标的结合]，找到刚度和固有频率同时满足要求的粗略设计机身的最佳分布；采用拓扑优化的方法对粗略设计机身作出机身的单元密度云图，得到拓扑优化的机身；

5)、拓扑优化的机身的尺寸优化，根据制造要求和空间布置需要，对机身重新建模；对模型进行体积和挠度的灵敏度分析，找出机身变量的对体积和挠度较大的灵敏度；

6)采用自适应响应面法对步骤5)模型机身的尺寸优化，优化问题定义如下：①设计变量：组成机身的10块板的板厚变化60mm；②设计目标：体积最小，即质量最轻；③约束条件：机身的挠度小于0.325mm；得到优化后的精冲压力机机身的模型。

本方法运用了虚拟样机技术，首先设计出了满足精冲工艺空间要求的粗略CAD模型；然后对粗略设计机身进行拓扑优化，在满足精冲压力机刚度和固有频率的前提下，得到机身的最佳结构分布；最后对机身进行详细的建模和尺寸优化，使机身轻量化；从而大大减少实物试验的周期和费用。

本发明的有益效果是：该方法能保证设计动态指标、静态指标的可靠，成本达到最低。

附图说明

图1是机身的粗略设计的模型图。

图2是粗略设计机身(优化前机身)的应变云图。

图3是粗略设计机身(优化前机身)的应力云图。

图4是拓扑优化结果图。

图5是机身模型图。

图6是板厚对机身体积的灵敏度图。

图7是板厚对机身挠度的灵敏度图。

图8是优化后的精冲压力机机身的模型图(图8与图5只是尺寸的变化)。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的优化方法进行理解，下面通过具体的步骤并结合附图进行详细地说明：

一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法，它包括如下步骤：

1)、精冲压力机机身的粗略设计：根据粗略设计要求的公称压力、滑块行程、主冲程调整量、闭合高度、最大开启高度、工作台板尺寸(见表1)找到精冲压力机机身的粗略CAD模型(即粗略设计机身)；

精冲压力机机身的材料为碳素钢，牌号为Q235-A，机身结构采用焊接式闭式机身结构，机身长(L)×宽(G)×高(H)＝2490mm×2180mm×4485mm，上工作台面至下工作台面的距离(H0)为2375mm，主要设计参数如下，CAD模型如图1所示；得到粗略设计机身(即优化设计之前的机身)，粗略设计机身为长方体结构，长方体内为空腔，长方体的前后左右面上均开有长方形的口，所有长方形的口与空腔相连通(所有长方形的口的上端与空腔的上端位于同一平面上，所有长方形的口的下端与空腔的下端位于同一平面上)，长方体空腔内的上表面为上工作台面，长方体空腔内的下表面为下工作台面。

表1

2)、将粗略设计机身的底面用四个地脚螺栓固定，上工作台面、下工作台面各加10000KN的载荷；采用有限元分析方法作出粗略设计机身的应变云图(如图2所示)和粗略设计机身的应力云图(如图3所示)。然后根据粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图来判断步骤1)所述的粗略CAD模型是否有优化空间，如有优化空间，则进行下一步骤。

3)、粗略设计机身的刚度、固有频率单目标的优化，优化问题定义如下：①设计目标：机身的刚度和一阶固有频率分别最大；②约束条件：体积限制为原来的60％；③设计变量：机身的空间单元分布。

找到刚度、固有频率的优化空间：找到柔度优化区间(刚度只能用柔度表示)：上限为2.4E+06mm/N，下限为1.2E+06mm/N；找到一阶固有频率优化区间：上限为28Hz，下限为97.8Hz。

4)、采用折衷规划法对粗略设计机身的多目标优化[即步骤3)的刚度单目标、固有频率单目标的结合]，找到刚度和固有频率同时满足要求的粗略设计机身的最佳分布；优化问题定义如下：①设计目标：F(ρ)的值最小，②约束条件，体积上限为原来的60％，VOL(体积)＜60％；③设计变量：机身设计的空间单元分布。采用拓扑优化的方法对粗略设计机身作出机身的单元密度云图(如图4所示)，得到拓扑优化的机身。

$\min F\left(\mathrm{\ρ}\right)={\{w^2{\left[\frac{C\left(\mathrm{\ρ}\right)-C_{\min }}{C_{\max }-C_{\min }}\right]}^2+{(1-w)}^2{\left[\frac{A_{\max }-A\left(\mathrm{\ρ}\right)}{A_{\max }-A_{\min }}\right]}^2\}}^{\frac{1}{2}}$

F(ρ)：优化目标；

C(ρ)：柔度，是设置的变量；

C_max：粗略设计机身模型的最大柔度，为2.4E+06mm/N；

C_min：优化得到了最小的柔度值，为1.2E+06mm/N；

A(ρ)：一阶固有频率，是设置的变量；

A_max：优化得到了最大的频率值，为97.8Hz；

A_min：原始模型的一阶固有频率，为28Hz；

W：加权值，0至1之间，取W＝0.5。

5)、拓扑优化的机身的尺寸优化，根据制造要求和空间布置需要，对机身重新建模，模型图如图5；对模型进行体积和挠度的灵敏度分析，找出机身变量的对体积和挠度较大的灵敏度，灵敏度分析结果如图6、图7，根据灵敏度分析结果可知对D5、D6的板厚对精冲压力机机身体积的灵敏度较大，D3、D6、D9的板厚对精冲压力机机身刚度的灵敏度较大，对后续的设计更改和更大吨位的精冲压力机设计有指导意义；

6)采用自适应响应面法对步骤5)模型机身的尺寸优化，优化问题定义如下：①设计变量：组成机身的10块板的板厚变化60mm；②设计目标：体积最小，即质量最轻；③约束条件：机身的挠度小于0.325mm；得到优化后的精冲压力机机身的模型，优化后的精冲压力机机身的模型如图8所示，优化后的精冲压力机机身的挠度为0.325，相比传统压力机挠度与长度之比在垂直方向为1/500～1/1000，本精冲压力机可以达到1/7300，一阶固有频率达到41.8Hz，提高45％，重量在拓扑优化阶段减轻40％，在尺寸优化阶段减轻3.5％。

优化后的精冲压力机机身的尺寸见表2。

表2机身优化后的最终结果(单位mm)

板名(变量)	原始值	设计下限	设计上限	优化后值
					D1	150	90	210	105
D2	150	90	210	105
					D3	150	90	210	170
D4	220	160	280	180
					D5	150	90	210	165
D6	150	90	210	105
					D7	220	160	280	105
D8	150	100	210	105
					D9	150	90	210	193
D10	150	90	210	105

优化后的精冲压力机机身的结构：由面板D1、2个上短档板D2(前面1个、后面1个，共2个)、2个上长档板D3(左面1个、右面1个，共2个)、上工作台面板D4、4个支撑板D5、4个加强板D6、下工作台面板D7、2个下短档板D8(前面1个、后面1个，共2个)、2个下长档板D9(左面1个、右面1个，共2个)、底板D10；4个支撑板D5分布在方形的四角，面板D1的底面与4个支撑板D5的上端焊接(面板D1的中部开有油缸孔1)，上工作台面板D4与4个支撑板D5的上部焊接，2个上短档板D2、2个上长档板D3位于面板D1与上工作台面板D4之间，2个上短档板D2、2个上长档板D3分别与面板D1和上工作台面板D4焊接，上工作台面板D4的中部开有油缸孔；底板D10的上面与4个支撑板D5的下端焊接，下工作台面板D7与4个支撑板D5的下部焊接(下工作台面板D7的中部开有油缸孔)，2个下短档板D8、2个下长档板D9位于下工作台面板D7与底板D10之间，2个下短档板D8、2个下长档板D9分别与下工作台面板D7和底板D10焊接；4个加强板D6的上端分别与面板D1焊接，4个加强板D6的上端分别与底板D10焊接。

Claims (1)

1.一种轻量化大刚度精冲压力机机身的优化设计方法，其特征在于它包括如下步骤：

1）、精冲压力机机身的粗略设计：根据粗略设计要求的公称压力、滑块行程、主冲程调整量、闭合高度、最大开启高度、工作台板尺寸找到精冲压力机机身的粗略CAD模型；

2）、将粗略设计机身的底面用四个地脚螺栓固定，上工作台面、下工作台面各加10000KN的载荷；采用有限元分析方法作出粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图；然后根据粗略设计机身的应变云图和粗略设计机身的应力云图来判断步骤1）所述的粗略CAD模型是否有优化空间，如有优化空间，则进行下一步骤 ；

3）、粗略设计机身的刚度、固有频率的优化，优化问题定义如下：①设计目标：机身的刚度和一阶固有频率分别最大；②约束条件：体积限制为原来的60%；③设计变量：机身的空间单元分布；找到刚度、固有频率的优化空间；

4）、采用折衷规划法对粗略设计机身的多目标优化，找到刚度和固有频率同时满足要求的粗略设计机身的最佳分布；采用拓扑优化的方法对粗略设计机身作出机身的单元密度云图，得到拓扑优化的机身；

优化问题定义如下：①设计目标：F(ρ)的值最小，②约束条件，体积上限为原来的60%；③设计变量：机身设计的空间单元分布；采用拓扑优化的方法对粗略设计机身作出机身的单元密度云图，得到拓扑优化的机身；

F(ρ)：优化目标；

：柔度，是设置的变量；

：粗略设计机身模型的最大柔度，为2.4E+06mm/N；

：优化得到了最小的柔度值，为1.2E+06mm/N；

：一阶固有频率，是设置的变量；

：优化得到了最大的频率值，为97.8Hz；

：原始模型的一阶固有频率，为28Hz；

W：加权值，0至1之间，取W=0.5；

5）、拓扑优化的机身的尺寸优化，根据制造要求和空间布置需要，对机身重新建模；对模型进行体积和挠度的灵敏度分析，找出机身变量的对体积和挠度较大的灵敏度；

6）采用自适应响应面法对步骤5）模型机身的尺寸优化，优化问题定义如下：①设计变量：组成机身的10块板的板厚变化60mm；②设计目标：体积最小，即质量最轻；③约束条件：机身的挠度小于0.325mm；得到优化后的精冲压力机机身的模型。

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