CN115169057A - 基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,属于往复式隔膜泵结构设计领域。本发明针对现有往复式隔膜泵机座根据经验设计,无法保证获得最优的设计模型的问题。包括:建立隔膜泵动力端整体结构的三维等效模型;进行网格划分,计算机座承受的最大应力、最大变形量和机座质量;确定待优化设计尺寸参数取值区间;建立尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系,进行多目标优化,使最大应力和最大变形量获得最小值;再根据尺寸参数的当前取值建立圆角规整处理后的机座模型,直到经计算确定当前取值满足机座模型的性能要求,将当前取值作为优化后尺寸参数值,进行机座的结构设计。本发明用于实现隔膜泵机座的轻量化设计。
Description
技术领域
本发明涉及基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,属于往复式隔膜泵结构设计领域。
背景技术
隔膜泵机座是往复式隔膜泵重要的承载部件,在装配过程中会受到螺栓预紧力的作用以及其他部件对机座的重力,以及在动力端运动过程中会受到其他部件的压力以及两个连杆活塞力的作用,因此机座的结构强度和刚度是否满足使用要求,不仅关系到能否保证实际工作的运行效率,而且还关系到工作的安全性和结构的完整性。
现有的往复式隔膜泵机座根据相关需求进行经验设计、改造,这样无法保证设计出来的模型是最优的,同时还会浪费大量时间以及材料。因而,对往复式隔膜泵机座结构进行轻量化优化设计具有重要的意义。
发明内容
针对现有往复式隔膜泵机座根据经验设计,无法保证获得最优的设计模型的问题,本发明提供一种基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法。
本发明的一种基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,包括,
步骤一:建立往复式隔膜泵动力端整体结构的三维等效模型;
步骤二:对三维等效模型进行网格划分,根据往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束,计算机座承受的最大应力、最大变形量和机座质量;
步骤三:定义机座的待优化设计尺寸参数,并确定每个尺寸参数的取值区间;
步骤四:分别建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系;并根据建立的两个对应函数关系在尺寸参数的取值区间内进行多目标优化,进行使最大应力和最大变形量获得最小值的迭代计算;在每次计算后根据尺寸参数的当前取值建立圆角规整处理后的机座模型,计算机座模型是否满足性能要求;若不满足则返回步骤三;直到尺寸参数的当前取值满足机座模型的性能要求,将每个尺寸参数的当前取值作为优化后尺寸参数值,进行机座的结构设计。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤一中三维等效模型与往复式隔膜泵动力端整体结构等尺寸、等面积以及等质量;
将往复式隔膜泵动力端的导向板和机座共同作为三维等效模型中的机座。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤二中采用HyperMesh模块对三维等效模型进行非结构化网格划分。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤二中往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束包括:
所受载荷包括重力、任意两缸的接杆上活塞力、托架反作用力和极限载荷;
约束包括:对机座底面、机座四个环面以及对曲轴驱动端端面的固定约束;对三个连杆端面的横向位移约束;设置导板和机座、嵌块和机座、连杆和导板之间存在摩擦接触,摩擦系数设为0.15;圆柱滚子轴承与机座、曲轴轴承与机座、大盖与机座之间设置为无摩擦约束;轴承与轴承压盖、轴承压盖与机座、曲轴轴承与连杆、连杆小端内圆面与轴承外圆面之间设置为绑定约束。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,待优化设计尺寸参数包括机座的上板厚度、底板厚度、导向板支架数量、导向板壁厚和导向板长度。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤四中采用神经网络算法建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤四中迭代计算采用非支配排序遗传算法。
根据本发明的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,步骤四中每次迭代计算后,若尺寸参数的当前取值不满足机座模型的性能要求,则返回步骤三重新确定每个尺寸参数的取值区间后进行下一次迭代计算。
本发明的有益效果:本发明方法根据定义好的优化设计尺寸参数,以机座质量最小、最大变形量和最大应力最小为优化目标,对机座进行优化设计。在迭代计算过程中,以机座最大应力和最大变形量能够获得最小值为目标的计算结果,可使获得的机座模型在满足性能要求的同时,获得质量最小值;由此实现了机座模型基于轻量化目标的最优设计。
根据本发明方法获得的优化后机座模型,一方面可以与现有其它相配合的零部件精确装配,无需对其他零部件进行二次改造,减少或避免大量生产加工程序;另一方面在动力端运行过程中实现有效运转功能的同时又能满足轻量化设计需求。
本发明方法获得的优化后尺寸参数可用于指导实际隔膜泵的机座加工,用较少的原料满足性能的要求,降低生产成本,提升产品核心竞争力。
附图说明
图1是本发明所述往复式隔膜泵机座结构设计方法的具体实施流程图;
图2是具体实施例中往复式隔膜泵机座采用本发明方法设计前的主视图;
图3是图2的侧视图;
图4是具体实施例中往复式隔膜泵机座采用本发明方法设计前的有限元模型图;
图5是具体实施例中往复式隔膜泵机座采用本发明方法设计后的机座模型图;
图6是具体实施例中往复式隔膜泵机座采用本发明方法设计前的最大变形量示意图;图中左侧颜色条从上到下表示优化前机座最大变形量由大到小的变化;
图7是具体实施例中往复式隔膜泵机座采用本发明方法设计后的最大变形量示意图;图中左侧颜色条从上到下表示优化后机座最大变形量由大到小的变化。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图5所示,本发明提供了一种基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,包括,
步骤一:建立往复式隔膜泵动力端整体结构的三维等效模型;
步骤二:对三维等效模型进行网格划分,根据往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束,计算机座的固有频率,承受的最大应力、最大变形量和质量大小;
步骤三:定义机座的待优化设计尺寸参数,并确定每个尺寸参数的取值区间;以通过改变尺寸参数的大小来减轻机座重量;
步骤四:分别建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系;并根据建立的两个对应函数关系在尺寸参数的取值区间内进行多目标优化,进行使最大应力和最大变形量获得最小值的迭代计算;在每次计算后根据尺寸参数的当前取值建立圆角规整处理后的机座模型,计算机座模型是否满足性能要求;若不满足则返回步骤三;直到尺寸参数的当前取值满足机座模型的性能要求,将每个尺寸参数的当前取值作为优化后尺寸参数值,进行机座的结构设计。
本实施方式根据定义好的优化设计尺寸参数,在设定的约束条件下,以机座质量最小、最大变形量和最大应力最小为优化目标,对机座结构中冗余的地方,如局部应力很小同时变形也很小的部位,提出改进措施。
进一步,步骤一中三维等效模型与往复式隔膜泵动力端整体结构等尺寸、等面积以及等质量;
将往复式隔膜泵动力端的导向板和机座共同作为三维等效模型中的机座,忽略机座两端与轴承盖连接的螺纹孔、十字头润滑油孔、排油孔、加热器油孔、拆卸螺纹孔等不重要的特征,因为这些特征对计算结果基本没有影响,同时还会造成网格数量急剧增加,所以对这些不重要的特征进行忽略。
作为示例,步骤二中采用HyperMesh模块对三维等效模型进行非结构化网格划分。
将三维等效模型导入HyperMesh软件中,进行网格划分并设置单位参数、材料属性以及单元类型,因存在结构比较复杂的部件,为了提高计算精度,需要对模型进行加密处理,将大盖与机座连接螺栓网格大小设置为5mm,拉杆螺栓网格大小设置为10mm,其他螺栓网格大小设置为20mm,托架、大盖、机座、底座网格大小设置为50mm,其他部件网格大小均为默认值;针对往复式隔膜泵结构的复杂性,选用非结构化网格进行网格划分,单元类型设置为默认的四面体网格,网格相关性中心设置为Medium。
再进一步,步骤二中往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束包括:
根据原始往复式隔膜泵动力端部件在工作时所受的实际情况,最终确定模型所受载荷包括重力、任意两缸的接杆上活塞力、托架反作用力和极限载荷;
约束包括:边界条件为对机座底面、机座四个环面以及对曲轴驱动端端面的固定约束;对三个连杆端面的横向位移约束;考虑工作中存在相对位移与相对转动,设置导板和机座、嵌块和机座、连杆和导板之间存在摩擦接触,摩擦系数设为0.15;圆柱滚子轴承与机座、曲轴轴承与机座、大盖与机座之间设置为无摩擦约束;轴承与轴承压盖、轴承压盖与机座、曲轴轴承与连杆、连杆小端内圆面与轴承外圆面之间设置为绑定约束。
由此计算获得的最大应力、最大变形量、质量和安全系数。
再进一步,待优化设计尺寸参数包括机座的上板厚度、底板厚度、导向板支架数量、单个导向板壁厚和单个导向板长度,根据实际情况定义每个尺寸参数的取值区间。
作为示例,步骤四中采用神经网络算法建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系。
作为示例,步骤四中迭代计算采用非支配排序遗传算法。
本实施方式采用神经网络算法和非支配排序遗传算法联合求解,获得待优化设计尺寸参数的优化结果。
再进一步,步骤四中每次迭代计算后,若尺寸参数的当前取值不满足机座模型的性能要求,则重新确定每个尺寸参数的取值区间后进行下一次迭代计算。
步骤四中每次迭代计算后,对得到的尺寸参数进行分析验证,判断所建立的往复式隔膜泵机座模型是否满足性能要求;如果满足要求,则最终确定当前参数为优化后的结构尺寸;如果不满足性能要求,则需要返回步骤三对尺寸参数重新定义取值范围进行计算,直到得到满足性能要求的结构尺寸参数为止。
采用本发明方法最终求得的往复式隔膜泵机座三维模型可与现有其他零部件精确装配,无需对其他零部件进行二次改造。
具体实施例:
结合图1至图7进行说明:
按步骤一建立选定型号往复式隔膜泵动力端整体结构三维等效模型。
在完成步骤一的基础上计算优化前往复式隔膜泵机座的固有频率、最大应力、最大变形量和质量大小。如图4所示,首先将三维等效模型导入HyperMesh软件中,进行网格划分并设置单位参数、材料属性以及单元类型,将大盖与机座连接螺栓网格大小设置为5mm,拉杆螺栓网格大小设置为10mm,其他螺栓网格大小设置为20mm,托架、大盖、机座、底座网格大小设置为50mm,其他部件网格大小均为默认值;其次设置机座使用材料为QT400-15,曲轴的使用材料为42CrMo,连杆、十字头的使用材料为ZG35Cr1Mo,拉杆螺柱的使用材料为35CrMoV,托架的使用材料为QT400-15。
步骤二中,根据原始往复式隔膜泵动力端部件在工作时所受的实际情况,最终确定对模型施加的载荷为重力、任意两缸的接杆上活塞力1600KN、托架反作用力1600KN、极限载荷96000N;边界条件为对机座底面、机座四个环面以及对曲轴驱动端端面固定约束,对三个连杆端面的横向位移约束;考虑工作中存在相对位移与相对转动,设置导板和机座、嵌块和机座、连杆和导板之间存在摩擦接触,摩擦系数设为0.15,圆柱滚子轴承与机座、曲轴轴承与机座、大盖与机座设置为无摩擦约束,轴承与轴承压盖、轴承压盖与机座、曲轴轴承与连杆、连杆小端内圆面与轴承外圆面之间设置为绑定约束;最后计算出优化前往复式隔膜泵机座模型最大应力为97.321MPa,最大变形量为0.19901mm,质量为25372Kg,安全系数为2.57。
按步骤二计算优化前的应力、变形云图;将隔膜泵机座模型的上板厚度、底板厚度、导向板支架数量、单个导向板壁厚和单个导向板长度定义为待优化设计尺寸参数,并根据实际情况定义取值区间,通过改变优化参数的大小减轻机座重量。
按照步骤三和步骤四得到优化后尺寸参数,再建立新的往复式隔膜泵机座三维模型进行分析验证,判断新模型是否满足性能要求;直到得到满足性能要求的结构尺寸参数为止。最终得到的优化后往复式隔膜泵机座三维模型如图5所示;结合图6和图7所示及优化前后最大应力的仿真结果可知,优化后模型的最大变形量比优化前减少0.00847mm,质量减少1738kg,最大应力降低40.8%,固有频率与原机座基本不变。由此证明,本发明方法能够得到基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座的最优设计。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明,但是应该理解的是,这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是,可以对示例性的实施例进行许多修改,并且可以设计出其他的布置,只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是,可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是,结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (8)
1.一种基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于包括,
步骤一:建立往复式隔膜泵动力端整体结构的三维等效模型;
步骤二:对三维等效模型进行网格划分,根据往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束,计算机座承受的最大应力、最大变形量和机座质量;
步骤三:定义机座的待优化设计尺寸参数,并确定每个尺寸参数的取值区间;
步骤四:分别建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系;并根据建立的两个对应函数关系在尺寸参数的取值区间内进行多目标优化,进行使最大应力和最大变形量获得最小值的迭代计算;在每次计算后根据尺寸参数的当前取值建立圆角规整处理后的机座模型,计算机座模型是否满足性能要求;若不满足则返回步骤三;直到尺寸参数的当前取值满足机座模型的性能要求,将每个尺寸参数的当前取值作为优化后尺寸参数值,进行机座的结构设计。
2.根据权利要求1所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,
步骤一中三维等效模型与往复式隔膜泵动力端整体结构等尺寸、等面积以及等质量;
将往复式隔膜泵动力端的导向板和机座共同作为三维等效模型中的机座。
3.根据权利要求1或2所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,
步骤二中采用HyperMesh模块对三维等效模型进行非结构化网格划分。
4.根据权利要求3所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,步骤二中往复式隔膜泵动力端实际运动时所受载荷和约束包括:
所受载荷包括重力、任意两缸的接杆上活塞力、托架反作用力和极限载荷;
约束包括:对机座底面、机座四个环面以及对曲轴驱动端端面的固定约束;对三个连杆端面的横向位移约束;设置导板和机座、嵌块和机座、连杆和导板之间存在摩擦接触,摩擦系数设为0.15;圆柱滚子轴承与机座、曲轴轴承与机座、大盖与机座之间设置为无摩擦约束;轴承与轴承压盖、轴承压盖与机座、曲轴轴承与连杆、连杆小端内圆面与轴承外圆面之间设置为绑定约束。
5.根据权利要求4所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,待优化设计尺寸参数包括机座的上板厚度、底板厚度、导向板支架数量、导向板壁厚和导向板长度。
6.根据权利要求5所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,步骤四中采用神经网络算法建立所有尺寸参数与最大应力和最大变形量的对应函数关系。
7.根据权利要求6所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,步骤四中迭代计算采用非支配排序遗传算法。
8.根据权利要求7所述的基于轻量化目标的往复式隔膜泵机座结构设计方法,其特征在于,步骤四中每次迭代计算后,若尺寸参数的当前取值不满足机座模型的性能要求,则返回步骤三重新确定每个尺寸参数的取值区间后进行下一次迭代计算。
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