CN105005640A - 满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法,它先基于控制变量法的机身各板厚度对其抗偏载性能的影响规律研究,以得到影响程度较大的板厚位置,确定优化因素;然后基于正交试验法的机身板厚多目标优化,结合极差分析及综合平衡法得到最优的机身板厚组合。本发明可以在满足抗偏载性能的基础上对大吨位精冲压力机机身进行优化设计,提高工作效率,降低成本。
Description
技术领域
本发明属于精冲压力机技术领域,具体涉及一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法。
背景技术
为了更好的满足高效加工大尺寸工件的需求,大吨位乃至超大吨位锻压设备设计现在已经成为我国锻压技术研究的一个重要方向,但为了满足刚强度设计、性能及安全等方面的要求,大吨位锻压设备的设计普遍偏重。机身作为机床的基础支撑件,支承着与机身上表面具有配合关系的机床部件的重量以及加工工件的重量。机身的变形(在偏心载荷下)将直接引起其所支承的部件产生倾斜,影响加工零件的质量以及模具的寿命。尤其在精密设备中,机身的变形显得更为重要,因此机身的设计成为机床制造企业的关键技术。
精冲属于无削加工技术,具有普通冲裁和其他一些加工方法所不具备的特点,包括精冲后工件断面质量好、毛刺小、耐磨性以及强度高、加工效率高及节能省材等。精冲压力机是应用精冲技术的基础,经常处于偏心载荷运动状态将会影响其动态精度、模具寿命以及加速受力零件的疲劳。
随着科学技术的发展,如何以较合理的结构和较小的重量,设计出符合强度、刚度和抗偏载性等要求的机身,是现代压力机设计需要考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法,它可以在满足抗偏载性能的基础上对大吨位精冲压力机机身进行优化设计,提高工作效率,降低成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法,包括以下步骤:
S1、确定优化因素:
S101、根据实际生产中机身的变形信息,选出五个变形量较大的因素,即主立板、侧立板、下筋板、上横梁和下横梁,该五个因素的取值范围从板料数据库中确定,所述板料数据库包括实际生产中各因素板厚选用范围和常用板料厚度标准;
S102、利用控制变量法,每次只改变其中一个因素的板厚,而控制其他几个因素不变,根据机身二维图纸针对每个因素建立一系列三维模型;
S103、将三维模型导入有限元软件中,生成有限元软件下的有限元模型,根据机身板料设置有限元模型的弹性模量、泊松比和密度,对有限元模型进行网格划分,根据机身实际安装位置及载荷作用情况,对有限元模型施加相应的约束和偏心载荷;
S104、设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量;
S105、选择倾斜量变化较大的四个因素作为优化因素,即主立板、侧立板、上横梁和下横梁;
S2、对优化因素进行多目标优化:
S201、将每个优化因素的取值范围分为5水平,设计四因素五水平的正交试验表,确定试验次数25次,即获得25组板厚组合;
S202、实施正交试验方案,根据每一组板厚组合建立相应的机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量,以及每组板厚组合下机身的质量;
S203、通过极差分析,分别得到各因素的质量极差和倾斜量极差,即可得到各个优化因素对机身倾斜量和机身质量的影响主次顺序;
S204、通过多目标综合平衡法,得出同时满足机身抗偏载性能要求以及减轻质量要求的理论最优板厚组合;
S205、根据理论最优板厚组合建立理论最优机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,得到机身受到偏心载荷时的倾斜量以及机身的质量;
S206、若步骤S205中的倾斜量满足设计要求,且机身质量相比于所有正交试验中的平均值有所减小,即达到轻量化设计的目的,否则重复步骤S204和S205,直至获得实际最优板厚组合。
按上述技术方案,在步骤S103中,所述偏心载荷为1000KN。
按上述技术方案,所述机身板料为Q235-A。
按上述技术方案,在步骤S101中,主立板的取值范围为80~130mm,侧立板的取值范围为90~140mm,下筋板的取值范围为30~80mm,上横梁的取值范围为240~450mm,下横梁的取值范围为140~240mm。
按上述技术方案,在步骤S103中,所述弹性模量E=200Gpa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.86×103kg·m-3。
按上述技术方案,在步骤S201中,上横梁的五个水平分别为210、300、380、450、550,下横梁的五个水平分别为110、150、190、230、270,主立板的五个水平分别为70、90、110、130、150,侧立板的五个水平分别为60、90、120、150、180,单位均为mm。
本发明产生的有益效果是:由于精冲压力机机身的抗偏载性能受到每个位置板厚的影响,而且只有当每块板的板厚对其性能的影响规律确定以后才能进一步对多块板的板厚同时进行优化,因此本发明先研究单块板的板厚对机身抗偏载性能的影响规律,再选出几个影响较大的因素进行多目标优化,即可得到满足精冲压力机机身抗偏载性能的轻量化设计的板厚组合。本发明准确性、可靠性好,精确度高,分析、计算快速,
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例的优化设计流程图;
图2是精冲压力机机身的结构立体图;
图3是偏心载荷加载示意图;
图4是精冲压力机机身的有限元模型图;
图5是主立板厚度为120mm时机身的应变云图。
图中:1-主立板、2-侧立板、3-下筋板、4-上横梁、5-下横梁。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1~图5所示,一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法,包括以下步骤:
S1、确定优化因素:
S101、根据实际生产中机身的变形信息,选出五个变形量较大的因素,即主立板1、侧立板2、下筋板3、上横梁4和下横梁5,该五个因素的取值范围从板料数据库中确定,板料数据库包括实际生产中各因素板厚选用范围和常用板料厚度标准;
S102、利用控制变量法,每次只改变其中一个因素的板厚,而控制其他几个因素不变,根据机身二维图纸针对每个因素建立一系列三维模型;
S103、将三维模型导入有限元软件中,生成有限元软件下的有限元模型,根据机身板料设置有限元模型的弹性模量、泊松比和密度,对有限元模型进行网格划分,根据机身实际安装位置及载荷作用情况,对有限元模型施加相应的约束和偏心载荷;
S104、设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量;
S105、选择倾斜量变化较大的四个因素作为优化因素,即主立板、侧立板、上横梁和下横梁;
S2、对优化因素进行多目标优化:
S201、将每个优化因素的取值范围分为5水平,设计四因素五水平的正交试验表,确定试验次数25次,即获得25组板厚组合;
S202、实施正交试验方案,根据每一组板厚组合建立相应的机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量,以及每组板厚组合下机身的质量;
S203、通过极差分析,分别得到各因素的质量极差和倾斜量极差,即可得到各个优化因素对机身倾斜量和机身质量的影响主次顺序;
S204、通过多目标综合平衡法,得出同时满足机身抗偏载性能要求以及减轻质量要求的理论最优板厚组合;
S205、根据理论最优板厚组合建立理论最优机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,得到机身受到偏心载荷时的倾斜量以及机身的质量;
S206、若步骤S205中的倾斜量满足设计要求,且机身质量相比于所有正交试验中的平均值有所减小,即达到轻量化设计的目的,否则重复步骤S204和S205,直至获得实际最优板厚组合。
在本发明的优选实施例中,在步骤S103中,偏心载荷为1000KN。
在本发明的优选实施例中,机身板料为Q235-A。
在本发明的优选实施例中,在步骤S101中,主立板的取值范围为80~130mm,侧立板的取值范围为90~140mm,下筋板的取值范围为30~80mm,上横梁的取值范围为240~450mm,下横梁的取值范围为140~240mm。
在本发明的优选实施例中,在步骤S103中,弹性模量E=200Gpa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.86×103kg·m-3。
在本发明的优选实施例中,在步骤S201中,上横梁的五个水平分别为210、300、380、450、550,下横梁的五个水平分别为110、150、190、230、270,主立板的五个水平分别为70、90、110、130、150,侧立板的五个水平分别为60、90、120、150、180,单位均为mm。
下面以12000KN精冲压力机机身为例,如图1-图5所示,对其机身优化分为两大步进行,其中床身整体尺寸为2800×1570×4520mm,三维软件采用Pro/E,有限元软件采用Hyperworks。
S1、基于控制变量法的机身各板厚度对其抗偏载性能的影响规律研究,以得到影响程度较大的板厚位置,确定优化因素。
确定单因素变量为A1、A2、A3、A4和A5,其中A1为主立板厚度,A2为侧立板厚度,A3为下筋板厚度,A4为上横梁厚度,A5为下横梁厚度。通过建立一系列同材差厚的机身三维几何模型,并将其导入有限元分析软件进行参数设置及求解,材料采用Q235-A,各向同性,弹性模量E=200Gpa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.86×103kg·m-3。采用volume tetra方式对有限元模型划分网格单元,单元大小为30mm,单元类型为solid 95,偏心载荷施加示意图如图3所示,得出各单因素对精冲机机身抗偏载性能的影响规律,并列于表1中,其中机身的抗偏载性能通过机身倾斜量反映。
由表1以及机身受到偏心载荷时的应变云图可知,主立板厚度、侧立板厚度、上横梁厚度和下横梁厚度对机身抗偏载性能影响相对较大。
表1各板厚对机身抗偏载性能影响规律
S2、基于正交试验法的机身板厚多目标优化,结合极差分析及综合平衡法得到最优的机身板厚组合。
根据步骤S1的结果,选出影响程度较大及变形较大的四个因素,主立板厚度、侧立板厚度、上横梁厚度和下横梁厚度,设计四因素五水平的正交试验,如表2所示。由于本次优化是针对多个指标,所以在表3所示的分析试验结果时,要对需要考察的指标一一分析,然后综合平衡,确定出最优条件。
表2正交试验因素水平表
表3正交试验结果
极差分析是为了获得各个板厚对每个指标的影响主次顺序,初选最优板厚组合。表4、表5中,大写Ki为表3中A、B、C、D各列都选取i水平时所对应的机身质量总和或倾斜量总和,小写ki为大写Ki的平均值。由小写ki的大小可以判断各因素的优水平和各个因素的优水平组合,即最优组合。R为每一个因素的极差,即每个因素在各水平下的指标均值的最大值与最小值之差。R反映了当各个因素的水平变动时,试验指标的变动幅度。R越大,说明该因素对试验指标的影响越大,因此也就越重要。于是依据极差R的大小,就可以判断因素的主次。根据数据极差分析可知,如表4、表5所示,4因素对2指标影响主次顺序为:机身倾斜量为C>A=B=D;机身质量为C>D>A>B。以min(M)为目标,应取A1B1C1D1;以min(δ)为目标,应取A5B5C5D5。
表4板厚对机身质量的影响数据极差分析
A | B | C | D | |
K1 | 191434.879 | 201983.731 | 177458.032 | 180817.595 |
K2 | 198295.241 | 202945.948 | 191042.606 | 192548.665 |
K3 | 204245.322 | 204015.473 | 204712.996 | 204038.860 |
K4 | 209373.587 | 204913.548 | 217708.137 | 215535.988 |
K5 | 216615.274 | 206105.603 | 229042.532 | 227023.195 |
k1 | 38286.976 | 40396.746 | 35491.606 | 36163.519 |
k2 | 39659.048 | 40589.190 | 38208.521 | 38509.733 |
k3 | 40894.064 | 40803.095 | 40942.599 | 40807.772 |
k4 | 41874.717 | 40982.710 | 43541.627 | 43107.198 |
k5 | 43323.055 | 41221.121 | 45808.506 | 45404.639 |
R | 5036.079 | 824.375 | 10316.9 | 9241.12 |
排序 | 3 | 4 | 1 | 2 |
表5板厚对机身倾斜量的影响数据极差分析
A | B | C | D | |
K1 | 0.071 | 0.068 | 0.081 | 0.068 |
K2 | 0.066 | 0.067 | 0.071 | 0.067 |
K3 | 0.064 | 0.064 | 0.062 | 0.065 |
K4 | 0.063 | 0.064 | 0.057 | 0.063 |
K5 | 0.061 | 0.062 | 0.054 | 0.062 |
k1 | 0.014 | 0.014 | 0.016 | 0.014 |
k2 | 0.013 | 0.013 | 0.014 | 0.013 |
k3 | 0.013 | 0.013 | 0.012 | 0.013 |
k4 | 0.013 | 0.013 | 0.011 | 0.013 |
k5 | 0.012 | 0.012 | 0.011 | 0.012 |
R | 0.002 | 0.002 | 0.005 | 0.002 |
排序 | 2 | 2 | 1 | 2 |
但是由于每个指标单独分析出来的最优组合并不一致,必须根据各因素对各个指标的影响的主次顺序,综合考虑,确定出最佳板厚组合。根据本实验最终目标,在满足倾斜量和最大应力前提下尽量减轻机身质量,依据多目标综合平衡法,选取理论最优板厚组合。
从因素影响趋势和主次分析可知,主立板板厚C对机身质量和机身倾斜量的影响均最大。板厚为130mm时,虽然机身倾斜量最小,但是机身质量较大,而板厚为70mm时,情况与之相反。综合来看,当板厚为110mm时,机身质量稍有增加,而机身倾斜量的增大幅度也不大。因此选择板厚为110mm最合适,这样才能保证机身的倾斜量和质量均较小。因此可得出C3,即主立板板厚取110mm时为最佳水平。
从因素影响趋势和主次分析可知,侧立板板厚D对机身质量和机身倾斜量的影响均较大。板厚为180mm时,虽然机身倾斜量最小,但是机身质量最大,而板厚为60mm时,情况与之相反。综合来看,当板厚为90mm时,机身质量稍有增加,而机身倾斜量的增大幅度也不大。因此选择板厚为90mm最合适,这样才能保证机身的倾斜量和质量均较小。因此可得出D2,即侧立板板厚取90mm时为最佳水平。
从因素影响趋势和主次分析可知,上横梁板厚A对机身倾斜量的影响较大,而对机身质量而言是次要因素。当板厚为210mm时,虽然机身质量最小,但是机身倾斜量最大,而板厚为550mm时,情况与之相反。综合来看,当板厚为300mm时,机身质量略有增加,而机身倾斜量的增大幅度也不大。因此选择板厚为300mm最合适,这样才能保证机身的倾斜量和质量均较小。因此可得出A2,即上横梁板厚取300mm时为最佳水平。
从因素影响趋势和主次分析可知,下横梁板厚B对机身质量的影响较小,而对机身倾斜量的影响较大。板厚为110mm时,虽然机身质量最小,但是机身倾斜量最大,而板厚为270mm时,情况与之相反。综合来看,当板厚为150mm时,机身质量略有增加,而机身倾斜量的增大幅度也不大。因此选择板厚为150mm最合适,这样才能保证机身的倾斜量和质量均较小。因此可得出B2,即下横梁板厚取150mm时为最佳水平。
最后确定较好的最优机身板厚组合方案为A2B2C3D2,即上横梁厚度为300mm、下横梁厚度为150mm、主立板厚度为110mm、侧立板厚度为90mm。
最优结果验证
为了说明设计结果的合理性,表6列出了最优机身的性能分析结果,左右两边的百分表数值分别表示图3中给定测试简图中指定位置上面,由应变云图测出来的点(以中心点为原点,左右各300mm处)的变形量。表7列出了机身倾斜量的参考标准值,由表6可见,在机身倾斜量满足要求的前提下,机身质量相比于所有正交试验的平均值有所减小,达到了轻量化设计的目的。
表6最优机身性能分析结果
表7机身倾斜量参考标准值
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、确定优化因素:
S101、根据实际生产中机身的变形信息,选出五个变形量较大的因素,即主立板、侧立板、下筋板、上横梁和下横梁,该五个因素的取值范围从板料数据库中确定,所述板料数据库包括实际生产中各因素板厚选用范围和常用板料厚度标准;
S102、利用控制变量法,每次只改变其中一个因素的板厚,而控制其他几个因素不变,根据机身二维图纸针对每个因素建立一系列三维模型;
S103、将三维模型导入有限元软件中,生成有限元软件下的有限元模型,根据机身板料设置有限元模型的弹性模量、泊松比和密度,对有限元模型进行网格划分,根据机身实际安装位置及载荷作用情况,对有限元模型施加相应的约束和偏心载荷;
S104、设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量;
S105、选择倾斜量变化较大的四个因素作为优化因素,即主立板、侧立板、上横梁和下横梁;
S2、对优化因素进行多目标优化:
S201、将每个优化因素的取值范围分为5水平,设计四因素五水平的正交试验表,确定试验次数25次,即获得25组板厚组合;
S202、实施正交试验方案,根据每一组板厚组合建立相应的机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,并得到机身受到偏心载荷时的倾斜量,以及每组板厚组合下机身的质量;
S203、通过极差分析,分别得到各因素的质量极差和倾斜量极差,即可得到各个优化因素对机身倾斜量和机身质量的影响主次顺序;
S204、通过多目标综合平衡法,得出同时满足机身抗偏载性能要求以及减轻质量要求的理论最优板厚组合;
S205、根据理论最优板厚组合建立理论最优机身三维模型,重复步骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图,得到机身受到偏心载荷时的倾斜量以及机身的质量;
S206、若步骤S205中的倾斜量满足设计要求,且机身质量相比于所有正交试验中的平均值有所减小,即达到轻量化设计的目的,否则重复步骤S204和S205,直至获得实际最优板厚组合。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤S103中,所述偏心载荷为1000KN。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述机身板料为Q235-A。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤S101中,主立板的取值范围为80~130mm,侧立板的取值范围为90~140mm,下筋板的取值范围为30~80mm,上横梁的取值范围为240~450mm,下横梁的取值范围为140~240mm。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤S103中,所述弹性模量E=200Gpa,泊松比υ=0.3,密度ρ=7.86×103kg·m-3。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤S201中,上横梁的五个水平分别为210、300、380、450、550,下横梁的五个水平分别为110、150、190、230、270,主立板的五个水平分别为70、90、110、130、150,侧立板的五个水平分别为60、90、120、150、180,单位均为mm。
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