CN105512378B

CN105512378B - 一种新型精冲压力机机架的优化设计方法

Info

Publication number: CN105512378B
Application number: CN201510866678.2A
Authority: CN
Inventors: 华林; 赵新浩; 刘艳雄
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2018-06-08
Anticipated expiration: 2035-11-30
Also published as: CN105512378A

Abstract

本发明公开了一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，该方法包括如下步骤：1）对待优化的传统机架进行有限元分析，获得机架性能参数；2）基于SIMP法建立机架拓扑优化的数学模型；3）第一步拓扑优化，加入模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束，获得结构清晰、易于再设计的优化结果；4）第二步拓扑优化，不再使用挤压约束，在第一步优化的基础上最大限度去除材料，获得机架最优拓扑结构；5）采用有限元法分析验证所设计结构是否合理可行。根据本方法设计的精冲压力机机架结构合理，具有较高的动静刚度，可满足精冲过程的使用要求，且机架重量较轻，降低了生产和运输成本；本方法合理可行，大大缩短了设计周期，降低了设计成本。

Description

一种新型精冲压力机机架的优化设计方法

技术领域

本发明涉及精冲压力机制造技术，尤其涉及一种新型精冲压力机机架的优化设计方法。

背景技术

精冲压力机机架是精冲压力机的重要零部件之一。一方面，精冲压力机机架是精冲过程的主要承力部件，其强度、刚度及动态特性直接影响整台压力机的动静特性；另一方面，机架重量占整台压力机重量的50％左右，机架的轻量化是实现整机轻量化、降低生产和运输成本的重要途径。传统的精冲压力机机架一般为方形，可能会导致质量过大、动静刚度差等问题，其结构有待进一步优化；传统精冲压力机机架结构设计，一般由工程师根据经验和技术要求设计出机架大致形状，然后采用有限元计算和物理样机实验进行分析验证，再修改、验证，直到满足要求为止，设计周期长，且设计成本巨大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中设计周期长，设计成本高的缺陷，提供一种新型精冲压力机机架的优化设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，包括以下步骤：

1)对待优化的精冲压力机机架结构进行有限元分析，获得机架性能参数；

所述机架性能参数包括机架体积V，额定载荷作用下的最大应力σ_max，额定载荷作用下的柔度c，额定载荷作用下机架第一受力面在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下机架第二受力面在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下第一导向面在水平y方向上的变形量额定载荷作用下第二导向面在水平x方向上的变形量以及机架一阶模态频率f₁；

2)根据待优化的精冲压力机机架结构，建立机架粗略设计模型；

3)基于SIMP法，以最小化体积为目标，以柔度、受力面和导向面变形量以及一阶模态频率为约束，建立精冲压力机机架拓扑优化设计的数学模型；

Subject to:k_e＝(ρ_e)^pk₀

c≤C

f₁≥F₁

0≤ρ_min≤ρ_e≤1

其中，Δ为优化后体积V占优化前体积V₀的百分比，k_e和k₀分别为优化后单元刚度矩阵和原始单元刚度矩阵，ρ_e为单元相对密度，p为惩罚因子，U为位移矢量，F为所受力，K为结构刚度矩阵，f_i为i阶模态频率，K_i和M_i分别为i阶模态刚度和模态质量，C、分别为c、的上限值，F₁为f₁的下限值；

4)进行第一步拓扑优化：基于步骤2)所建机架拓扑优化的粗略设计模型以及步骤3)所建机架拓扑优化的数学模型，建立机架拓扑优化的有限元模型，并对上述有限元模型使用模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束，求解优化问题获得结构清晰的优化结果，根据该结果对机架结构进行再设计，得到满足约束条件的中间设计结构；

5)第二步拓扑优化：基于步骤4)所得的机架中间设计结构及步骤3)所建的机架拓扑优化的数学模型，建立机架拓扑优化的有限元模型，并使用模式重复约束，不再使用挤压约束，求解优化问题获得体积最小的优化结果，根据该结果对机架结构进行再设计，得到满足约束条件的最终设计结构；

6)运用有限元方法对最终设计结构分析验证。

本发明产生的有益效果是：

1.通过本发明方法，经过优化设计后的机架结构和优化前的机架结构相比，在各项性能指标均有所改善(最大应力除外，但对机架使用性能不会产生太大影响)的情况下，机架体积减少，达到了预定的减重目的；

经过优化设计后的机架具有以下特点：

1)机架顶端设计为圆弧形，可使应力分布更均匀，符合等强原则，有利于节省材料，减小机架重量及生产和运输成本。

2)尽量减少机架上部分质量，保留机架下部分质量，使机架重心降低，材料分布更靠近约束部位，可增大机架刚度和一阶固有频率。

2.相比于现有设计方法，采用本发明方法大大缩短了设计周期和设计成本。

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是待优化的精冲压力机机架结构；

图2是精冲压力机机架受力面和导向面示意图；图1、2为机架受力面，3、4为机架导向面(考虑到对称性，只给出了3、4两个导向面的示意图)；

图3是精冲压力机机架粗略设计模型；

图4是第一步拓扑优化结果；

图5是根据第一步拓扑优化结果对精冲压力机机架进行再设计得到的中间设计结构；

图6是第二步拓扑优化结果；

图7是根据第二步拓扑优化结果对精冲压力机机架进行再设计得到的最终设计结构。

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。

采用本发明所提供的精冲压力机机架优化设计方法，成功应用于1200吨精冲压力机机架优化设计上，具体分以下五步进行：

1)图1所示为待优化的某1200吨精冲压力机传统机架结构，首先采用有限元分析的方法对其进行静力分析和模态分析，提取相关数据，并将其用于之后的拓扑优化中。分析结果如表1所示。

表1 传统精冲压力机机架结构有限元分析结果

表中，V表示机架体积，σ_max表示额定载荷作用下的最大应力，c表示额定载荷作用下的柔度，分别表示额定载荷作用下相应受力面或导向面在相应方向上的变形量，f₁表示一阶模态频率。

如图2所示，额定载荷作用下机架受力面1在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下机架受力面2在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下导向面3在水平y方向上的变形量额定载荷作用下导向面4在水平x方向上的变形量

2)基于SIMP法，以最小化体积为目标，以柔度、受力面和导向面变形量以及一阶模态频率为约束，建立1200吨精冲压力机机架拓扑优化设计的数学模型为：

Subject to:k_e＝(ρ_e)^pk₀

c≤C

f₁≥F₁

0≤ρ_min≤ρ_e≤1

3)第一步拓扑优化。以图1中机架尺寸为参照，建立机架粗略设计模型，如图3所示。根据粗略设计模型以及步骤2)中所建优化的数学模型建立机架拓扑优化的有限元模型并进行求解。在这一步拓扑优化中，为了使优化结果结构清晰，便于再设计，加入模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束。优化结果如图4所示。根据优化结果对机架结构进行再设计得到中间设计结构，如图5所示。

4)第二步拓扑优化。在第一步拓扑优化中加入的制造工艺约束，虽然可以保证优化结果结构清晰，但在一定程度上限制了最佳拓扑结构的获得。这一步拓扑优化是基于第一步优化所得的中间设计结构及步骤2)所建优化数学模型建立机架拓扑优化的有限元模型，并且不再使用挤压约束，最大限度地去除材料，获得满足约束条件且体积最小的机架拓扑结构。第二步拓扑优化结果如图6所示。根据优化结果对机架结构进行再设计获得最终设计结构，如图7所示。

5)为了验证最终设计结构是否合理，再次运用有限元方法对最终设计结构分析验证，分析结果如表2所示。

表2 最终设计的精冲压力机机架有限元分析结果

对比表2和表1数据不难发现，经过优化设计后的机架结构和传统机架结构相比，在各项性能指标均有所改善(最大应力除外，但对机架使用性能不会产生太大影响)的情况下，机架体积减少了13.66％，这说明所采用的设计方法及最终的设计结果是合理可行的。

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

1.一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

Minimize:

Subject to:k_e＝(ρ_e)^pk₀

c＝U^TF,F＝KU,

c≤C

f₁≥F₁

0≤ρ_min≤ρ_e≤1

4)进行第一步拓扑优化：基于步骤2)所建机架拓扑优化的粗略设计模型以及步骤3)所建机架拓扑优化的数学模型，建立机架拓扑优化的有限元模型，并对上述有限元模型使用模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束，求解优化问题获得结构优化结果，根据该结果对机架结构进行再设计，得到满足约束条件的中间设计结构；

6)运用有限元方法对最终设计结构分析验证。