WO2021212680A1 - 一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统 - Google Patents

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WO2021212680A1
WO2021212680A1 PCT/CN2020/104614 CN2020104614W WO2021212680A1 WO 2021212680 A1 WO2021212680 A1 WO 2021212680A1 CN 2020104614 W CN2020104614 W CN 2020104614W WO 2021212680 A1 WO2021212680 A1 WO 2021212680A1
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load
model
mesh
parts
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顾江
程远
唐凯
赵俊
孙雪雁
孙桂圆
张弛
张俊
吴书祥
徐楠华
罗飞
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南京英尼格玛工业自动化技术有限公司
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    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Definitions

  • the invention relates to a non-standard part load analysis method and system based on dynamic mesh division, belonging to the field of part load analysis.
  • the maximum static load is often applied to the part in the design, and the dynamic characteristics are not fully considered, and the life and performance of the part may be Can not meet the technical requirements. Therefore, it is necessary to find an efficient method to design high-quality, low-cost parts.
  • One purpose is to propose a load analysis method for non-standard parts based on dynamic meshing.
  • a further purpose is to propose a system that implements the above method.
  • a load analysis method for non-standard parts based on dynamic meshing including the following steps:
  • Step 1 Build a part model
  • Step 2 Divide the model mesh
  • the step 1 further includes preliminarily establishing a part model according to the working condition of the part, defining the model material, and recording the quality of the model; the working condition includes the size of the load, the reserved space and the temperature of the environment humidity.
  • step 2 dividing the model grid further includes:
  • Step 2-1a Set the parameter domain divided by the curved surface as the u and v bidirectional parameter domain, where the two parameter directions of u and v are 90 degrees to each other;
  • Step 2-2a Define the spline function:
  • C(u) represents the three-dimensional space coordinates of any point on the curve
  • P i represents the control point at i on the node vector u
  • P j represents the control point at j on the node vector v
  • Ni ,p (u) represents the node
  • N j,q (v) represents the spline basis function on the node vector v;
  • Step 2-3a Establish a surface equation based on the u, v bidirectional parameter domain and spline curve function:
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v number
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v Number
  • P 0 represents the initial node of the grid node
  • S u (u,v) represents the partial derivative of the surface in the u direction
  • S v (u,v) represents the partial derivative of the surface in the v direction.
  • the initial node P 0 on the curved surface in the step 2 satisfies the following formula:
  • the following three points are used as the nodes of the mesh: P(x,y), P(x+1/n,y), P(x,y+1/n); complex
  • the parts adopt a gradient mesh, the corresponding columnar area uses a four-node mesh, the corresponding spherical area uses a three-node mesh, and the two three-node meshes on the interface are spliced into a four-node mesh.
  • the grids at the holes, grooves and boundaries should be encrypted;
  • the surface mesh is generated on the surface of the block or columnar part with four points as nodes and then stretched to form a spatial mesh, which is divided into layers from the outside to the inside, until the whole part is decomposed Mesh bodies with up to standard quality; while on the surface of sharp corners or spherical parts, a surface mesh is first established with three points as nodes and then three-dimensionally formed to form a volume mesh.
  • the volume meshes are superimposed on each other, and there is no obvious hierarchical distinction.
  • a gradient mesh is used, and a three-node surface mesh is used for spherical and similar areas.
  • the area uses a four-node surface grid, and an excessive grid is used in the combined area, and the excessive grid is locally refined to ensure the accuracy of the grid; all the refined grids are controlled to have a growth rate not higher than 1.2.
  • step 3 further includes applying boundary conditions to the meshed model, and using the Modal model to analyze the natural frequency to check the vulnerable parts of the parts at the first few frequencies;
  • step 4 is further Including calculating the results according to the natural frequency, strengthening the vulnerable parts of the parts, lightweight design of the parts with sufficient strength, and model optimization.
  • step 5 further includes:
  • Step 5-1 According to the actual operating conditions, design several loads that change with time. Simple loads are applied directly, and complex dynamic loads are fitted to the load curve.
  • the load fitting formula is as follows:
  • t is the load acting time
  • T is the period of the load
  • F is the time-varying periodic dynamic load
  • a, b, c, u, v, w, ⁇ , ⁇ , and ⁇ are the variables obtained from the above formula ;
  • Step 5-2 Perform dynamic force analysis on the optimized model, continue to optimize the model with unqualified strength, and add the qualified model to the database.
  • the load that changes with time is directly defined on the bearing surface.
  • the frequency of the load changes faster and the load value is larger, then Use the known load to fit the load and time curve, and output the load and time data with a fixed time step, and use the fitted time load data as a dynamic load to act on the part for calculation and solution.
  • a load analysis system for non-standard parts based on dynamic meshing including a modeling module for building part models; a meshing module for meshing the model; a frequency analysis module for analyzing natural frequencies; An optimization module for optimizing model parameters; and a dynamic analysis module for dynamic force analysis.
  • the modeling module further preliminarily establishes a part model according to the working conditions of the part, defines the model material, and records the model quality;
  • the meshing module further divides the mesh for non-standard parts of different shapes;
  • the frequency analysis module is further used to impose boundary conditions on the meshed model, and use the Modal model to perform natural frequency analysis to check the vulnerable parts of the parts at the previous frequencies;
  • the optimization module is further used to The frequency calculation results are obtained, the vulnerable parts of the parts are strengthened, the parts with sufficient strength are light-weighted, and the model is optimized;
  • the dynamic analysis module further applies loads to the parts according to the actual operating conditions to perform dynamic dynamics on the optimized model After force analysis, the models with unqualified strength continue to be optimized, and the qualified models are added to the database.
  • the mesh division module further sets the parameter domain of the curved surface division to be a bidirectional parameter domain of u and v, wherein the two parameter directions of u and v are 90 degrees to each other;
  • C(u) represents the three-dimensional space coordinates of any point on the curve
  • P i represents the control point at i on the node vector u
  • P j represents the control point at j on the node vector v
  • Ni ,p (u) represents the node
  • N j,q (v) represents the spline basis function on the node vector v;
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v number
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v Number
  • P 0 represents the initial node of the grid node
  • S u (u,v) represents the partial derivative of the surface in the u direction
  • S v (u,v) represents the partial derivative of the surface in the v direction
  • the dynamic analysis module further designs a number of loads that vary with time according to actual operating conditions. Simple loads are directly applied, and complex dynamic loads are fitted to the load curve.
  • the load fitting formula is as follows:
  • t is the load acting time
  • T is the period of the load
  • F is the time-varying periodic dynamic load
  • a, b, c, u, v, w, ⁇ , ⁇ , and ⁇ are the variables obtained from the above formula ;
  • the present invention proposes a load analysis method and system for non-standard parts based on dynamic meshing, which adopts a combination of natural frequency and dynamic force analysis, and takes into account the load on the parts, which is suitable for complex working conditions.
  • the time and load data of the load can be obtained by curve fitting, which is more practical than the general design method. It does not need to give too much safety factor to the parts.
  • High-performance parts can be obtained on the basis of light weight, which can effectively reduce the parts. Production costs.
  • By establishing an optimized parts database and screening out the best solutions among multiple parts it is possible to achieve an organic combination of economy and part quality. And the parts database can be saved as a reference case for similar parts design. For parts of different shapes, different meshing methods are used to ensure the accuracy and reliability of the calculation results.
  • Figure 1 is a flow chart of the overall work of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram of the load fitting curve of the present invention.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the grid division of the present invention.
  • Figure 4 is a part deformation cloud diagram of the natural frequency analysis of the present invention.
  • Fig. 5 is a cloud diagram of part deformation under dynamic load of the present invention.
  • the purpose of the present invention is to solve the problems that the non-standard parts lack reference basis and the design efficiency is low, the dynamic load analysis is insufficient, the service life and performance of the parts may not meet the technical requirements, and the economy and quality are difficult to balance.
  • the natural frequency and dynamic force analysis results of the part it is designed to be lightweight, thereby reducing its production cost and improving the design and production efficiency.
  • the first step build a part model. Build a base to bear the robot, the mass of the robot is 100kg, the model material is Q235A, and the model mass is 267.44Kg.
  • Step 2 Divide the model mesh.
  • the established part model is meshed and divided, and the mesh form is determined according to the shape of the part.
  • a three-node mesh is used.
  • the mesh is encrypted at the center hole, pin hole, and threaded hole.
  • the growth rate of the mesh is 1.1.
  • the grid quality inspection result should ensure that there is no abnormal grid, as shown in Figure 3.
  • the method of dividing the model mesh is as follows: First, the parameter domain of the curved surface division is set as the u and v bidirectional parameter domain, where the two parameter directions of u and v are 90 degrees to each other;
  • C(u) represents the three-dimensional space coordinates of any point on the curve
  • P i represents the control point at i on the node vector u
  • P j represents the control point at j on the node vector v
  • Ni ,p (u) represents the node
  • N j,q (v) represents the spline basis function on the node vector v;
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v number
  • P i,j represents the submatrix composed of control points i and j
  • N i,p (u) represents the spline basis function on the node vector u
  • N j,q (v) represents the node vector v Spline basis function
  • S(u,v) represents the coordinates of any point on the surface space established by the bidirectional parameter domain of u and v and the spline curve function
  • n represents the number of node vectors u
  • m represents the number of node vectors v Number
  • P 0 represents the initial node of the grid node
  • S u (u,v) represents the partial derivative of the surface in the u direction
  • S v (u,v) represents the partial derivative of the surface in the v direction.
  • the initial node P 0 on the surface satisfies the following formula:
  • the following three points are used as the nodes of the mesh: P(x,y), P(x+1/n,y), P(x,y+1/n); complex
  • the parts adopt a gradient mesh, the corresponding columnar area uses a four-node mesh, the corresponding spherical area uses a three-node mesh, and the two three-node meshes on the interface are spliced into a four-node mesh.
  • the grids at the holes, grooves and boundaries should be encrypted;
  • a surface mesh is generated on the surface of a block or columnar part with four points as nodes and then stretched to form a spatial mesh, which is divided into layers from the outside to the inside, until the whole part is decomposed to a quality standard mesh Grid; and the surface of sharp or spherical parts first uses three points as nodes to establish a surface grid and then three-dimensionally form a volume grid.
  • the interior of relatively complicated parts such as sharp corners; for parts with both columnar and spherical structures, a gradient mesh is used.
  • Three-node surface meshes are used for spherical and similar areas, and four are used for columnar and similar areas.
  • the surface mesh of the node adopts an excessive mesh in the combined area, and the excessive mesh is locally refined to ensure the accuracy of the mesh; all the refined meshes are controlled to have a growth rate not higher than 1.2.
  • the third step natural frequency analysis. Boundary conditions are applied to the meshed model, and the Z-axis negative gravitational acceleration -9.81m/s 2 is applied to the whole part.
  • the Poisson's ratio of the model is 0.33, the elastic modulus is 2 ⁇ 10 11 , and the density is 7800Kg/ m 3 , and use the Modal model to analyze its natural frequency.
  • the frequency range is 0-100000 Hz. Check the vulnerable parts of the parts under the first three frequencies. The deformation of the parts is shown in Figure 4.
  • Step 4 Optimize model parameters. According to the calculation result of natural frequency, the vulnerable parts of this part are concentrated at the welding seam of the upper end cap and the column. Therefore, the welding seam needs to be strengthened in a targeted manner. Measures such as beveling and increasing the welding seam depth can be adopted. . However, the upper end cover of the part is not deformed by force, and can be designed to be lightweight to reduce the quality of the part and reduce the production cost.
  • Step 5 Dynamic force analysis. According to the actual operating conditions, four steps of time-varying loads are designed. The first step is 0s when the pressure on the base is 1000N, and the second step when the load is 0.5s, the components on the base will accelerate and the pressure on the base will increase. When the load of the third step is 1s, the parts on the base will run at a constant speed, and the pressure on the base will be reduced to 1500N. When the load of the fourth step is 1.5s, the parts on the base will decelerate and the pressure on the base will decrease. It is 1200N. After the calculation result, the displacement and deformation cloud map of the whole base is output, as shown in Figure 5.
  • the maximum deformation of the base is 0.78mm, and the deformation is small and within a reasonable range.
  • the design requirements are compounded, and it is added to the database. According to the actual operating conditions, design several loads that vary with time. Simple loads are directly applied, and complex dynamic loads are fitted to the load curve.
  • the load fitting formula is as follows:
  • t is the load acting time
  • T is the period of the load
  • F is the time-varying periodic dynamic load
  • a, b, c, u, v, w, ⁇ , ⁇ , ⁇ are respectively taken according to the period of the actual data point Solve it in the formula, with a minimum of three data points per period, and then a curve can be fitted to obtain the data of the entire function. Perform dynamic force analysis on the optimized model, continue to optimize the model with unqualified strength, and add the qualified model to the database.
  • Step 6 Screen the model database. Screen all qualified models in the database. According to the two models designed above, the analysis results show that the strength of the parts meets the requirements. Comparing the quality of the parts, the second model is 11.17% lighter than the first model. The processing technology of the parts itself is basically the same. The lightweight model is preferred to reduce costs and meet the requirements of resource conservation and environmental protection.

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Abstract

一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统，采用固有频率和动态受力分析相结合的方式，考虑到零件所受载荷的情况，对复杂工况的载荷可以采用曲线拟合的方式得到时间和载荷数据，比一般的设计法更贴合实际，不用给零件过多的安全系数，在轻量化的基础上获得高性能的零件，可以有效降低零件的生产成本。通过建立优化零件数据库，在多个零件中筛选出最佳方案，可以做到经济性与零件质量的有机结合。并且零件数据库可以存留作为类似零件设计的参考案例。针对不同形状的零件，采用不同的网格划分方式，保证计算结果的精确可靠。

Description

一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统 技术领域
本发明涉及一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统，属于零件载荷分析领域。
背景技术
随着生产力的发展，个性化定制的零部件逐渐增加，其中非标准零件的运用也越来越广泛。非标件设计过程中，由于缺乏相应的参考依据，为了保证零件的强度，一般会采用较大的安全系数，实际只需10mm厚度就能满足使用要求的零件，用传统的方法设计厚度要达到15甚至20mm，增加了零件的材料和加工成本。非标准零件的形状差异较大，单一的网格划分方式不能满足所有零件的要求，受力分析结果会受到影响。对于某些工作环境复杂，所受载荷多变的零件(如机器人的底座，机床的导轨等)，设计时常采用最大静载荷作用于零件上，对其动态特性考虑不够全面，零件寿命与性能可能达不到技术要求。因此，需要寻找一种高效率的方法来设计出高质量，低成本的零件。
发明内容
发明目的：一个目的是提出一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法。进一步目的是提出一种实现上述方法的系统。
技术方案：一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，包括以下步骤：
步骤1、建立零件模型；
步骤2、划分模型网格；
步骤3、分析固有频率；
步骤4、优化模型参数；
步骤5、动态受力分析。
在进一步的实施例中，所述步骤1进一步包括根据零件的工况初步建立零件模型，定义模型材料，记录模型质量；所述工况包括所受载荷的大小，预留的空间以及环境的温度湿度。
在进一步的实施例中，所述步骤2划分模型网格进一步包括：
步骤2-1a、设定曲面划分的参数域为u、v双向参数域，其中u、v两个参数方向互呈90度；
步骤2-2a、定义样条曲线函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000001
其中，C(u)表示曲线上任一点的三维空间坐标，P i表示节点矢量u上i处的控制点，P j表示节点矢量v上j处的控制点；N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；
步骤2-3a、基于u、v双向参数域和样条曲线函数建立曲面方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000002
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数；
步骤2-4a、确定在该平面域内推进的初始节点，并确定推进方向，以u、v两个参数方向的对角线方向为节点的推进方向，对于曲面上的初始节点P 0＝(x 0,y 0,z 0)，求该初始节点的参数值(u 0,v 0)，定义矢量值函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000003
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数，P 0表示网格节点的初始节点；
定义标量方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000004
式中，S u(u,v)表示曲面在u方向上的偏导数，S v(u,v)表示曲面在v方向上的偏导数。
在进一步的实施例中，所述步骤2中曲面上的初始节点P 0满足如下公式：
Figure PCTCN2020104614-appb-000005
其中x＝0，1/n，2/n，…，1，y＝0，1/n，2/n，…，1；
块状或柱状零件网格划分时采用以下四个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x+1/n,y+1/n)，P(x,y+1/n)；
尖角或球状零件网格划分时采用以下三个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x,y+1/n)；复杂零件采用渐变的网格，对应柱状区域采用四个节点的网格，对应球状区域采用三个节点的网格，交界面上两个三个节点的网格拼接成一个四个节点的网格。在孔位，凹槽和边界处网格应做加密处理；
所述步骤2中不同的网格划分方式，在块状或柱状零件表面以四个点为节点生成面网格再拉伸形成空间网格，从外而内层层划分，直至将整个零件分解质量达标的网格体；而尖角或球状零件表面首先以三个点为节点建立面网格再三维立体化形成体网格，体网格相互之间交相叠加，没有明显的层级区分，填充满球体和尖角等较为复杂的零件内部；对于既有柱状结构又有球状结构的零件采用渐变型网格，在球状等类似的区域采用三个节点的面网格，在柱状等类似的区域采用四个节点的面网格，在结合区域采用过度网格，过度网格做局部加密处理，保证网格的精度；所有加密处理的网格，控制其生长率不高于1.2。
在进一步的实施例中，所述步骤3进一步包括对划分好网格的模型施加边界条件，并采用Modal模型对其进行固有频率分析，查看前几阶频率下零件的易损部位；步骤4进一步包括根据固有频率计算获得结果，在零件易损部位进行强化处理，对强度足够的部位进行轻量化设计，进行模型优化。
在进一步的实施例中，所述步骤5进一步包括：
步骤5-1、根据实际运行工况，设计若干随时间变化的载荷其中，简单载荷直接施加，复杂动态载荷拟合载荷曲线，载荷拟合公式如下所示：
Figure PCTCN2020104614-appb-000006
Figure PCTCN2020104614-appb-000007
Figure PCTCN2020104614-appb-000008
式中，t为载荷作用时间，T为载荷的周期，F为时间变化的周期动态载荷；a、b、c、u、v、w、α、β、γ为带入上式求得的变量；
步骤5-2、对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入数据库中。
在进一步的实施例中，步骤5中对于变化次数较少的载荷，直接在受力面定义随时间变化的载荷，对于工况复杂的零件，若载荷变化频率较快，载荷数值较多，则利用已知的载荷拟合出载荷与时间的曲线，并以固定的时间步长输出载荷与时间的数据，将拟合得到的时间载荷数据作为动态载荷作用于零件上进行计算求解。
一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析系统，包括用于建立零件模型的建模模块；用于划分模型网格的网格划分模块；用于分析固有频率的频率分析模块；用于优化模型参数的优化模块；以及用于动态受力分析的动态分析模块。
在进一步的实施例中，所述建模模块进一步根据零件的工况初步建立零件模型，定义模型材料，记录模型质量；所述网格划分模块进一步针对不同形状的非标准件划分网格；所述频率分析模块进一步用于对划分好网格的模型施加边界条件，并采用Modal模型对其进行固有频率分析，查看前几阶频率下零件的易损部位；所述优化模块进一步用于根据固有频率计算获得结果，在零件易损部位进行强化处理，对强度足够的部位进行轻量化设计，进行模型优化；所述动态分析模块进一步根据实际运行工况对零件施加载荷对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入数据库中。
在进一步的实施例中，所述网格划分模块进一步设定曲面划分的参数域为u、v双向参数域，其中u、v两个参数方向互呈90度；
定义样条曲线函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000009
其中，C(u)表示曲线上任一点的三维空间坐标，P i表示节点矢量u上i处的控制点，P j表示节点矢量v上j处的控制点；N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；
基于u、v双向参数域和样条曲线函数建立曲面方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000010
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数；
确定在该平面域内推进的初始节点，并确定推进方向，以u、v两个参数方向的对角线方向为节点的推进方向，对于曲面上的初始节点P 0＝(x 0,y 0,z 0)，求该初始节点的参数值(u 0,v 0)，定义矢量值函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000011
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数，P 0表示网格节点的初始节点；
定义标量方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000012
式中，S u(u,v)表示曲面在u方向上的偏导数，S v(u,v)表示曲面在v方向上的偏导数；
所述动态分析模块进一步根据实际运行工况，设计若干随时间变化的载荷其中，简单载荷直接施加，复杂动态载荷拟合载荷曲线，载荷拟合公式如下所示：
Figure PCTCN2020104614-appb-000013
Figure PCTCN2020104614-appb-000014
Figure PCTCN2020104614-appb-000015
式中，t为载荷作用时间，T为载荷的周期，F为时间变化的周期动态载荷；a、b、c、u、v、w、α、β、γ为带入上式求得的变量；
对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入 数据库中。
有益效果：本发明提出了一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统，采用固有频率和动态受力分析相结合的方式，考虑到零件所受载荷的情况，对复杂工况的载荷可以采用曲线拟合的方式得到时间和载荷数据，比一般的设计法更贴合实际，不用给零件过多的安全系数，在轻量化的基础上获得高性能的零件，可以有效降低零件的生产成本。通过建立优化零件数据库，在多个零件中筛选出最佳方案，可以做到经济性与零件质量的有机结合。并且零件数据库可以存留作为类似零件设计的参考案例。针对不同形状的零件，采用不同的网格划分方式，保证计算结果的精确可靠。
附图说明
图1为本发明的整体工作流程图。
图2为本发明载荷拟合曲线示意图。
图3为本发明划分模型网格示意图。
图4为本发明固有频率分析的零件形变云图。
图5为本发明动态载荷下的零件形变云图。
具体实施方式
本发明的目的是解决非标准零件缺少参考依据设计效率较低，对动态载荷分析不足，零件寿命与性能可能达不到技术要求，经济性与质量难以兼顾的问题。根据零件的固有频率和动态受力分析结果，对其进行轻量化设计，从而减少其生产成本，提高设计生产效率。下面结合附图对本发明的实施案例进行说明：
以底座零件为例，基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法的流程如图1所示，包括以下具体步骤：
第一步；建立零件模型。建立一个承受机器人的底座，机器人的质量为100kg，模型材料为Q235A，模型质量为267.44Kg。
第二步：划分模型网格。对建立的零件模型进行网格化分，根据零件的形状确定网格形式采用三个节点的网格，在中心孔，销孔以及螺纹孔等处做网格加密处理，网格的生长率为1.1，网格质量检查结果应保证无异常网格，如图3所示。
具体的，划分模型网格的方法如下：首先设定曲面划分的参数域为u、v双向参数域，其中u、v两个参数方向互呈90度；
接着定义样条曲线函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000016
其中，C(u)表示曲线上任一点的三维空间坐标，P i表示节点矢量u上i处的控制点，P j表示节点矢量v上j处的控制点；N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；
接着，基于u、v双向参数域和样条曲线函数建立曲面方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000017
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数；
确定在该平面域内推进的初始节点，并确定推进方向，以u、v两个参数方向的对角线方向为节点的推进方向，对于曲面上的初始节点P 0＝(x 0,y 0,z 0)，求该初始节点的参数值(u 0,v 0)，定义矢量值函数：
Figure PCTCN2020104614-appb-000018
式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数，P 0表示网格节点的初始节点；
定义标量方程：
Figure PCTCN2020104614-appb-000019
式中，S u(u,v)表示曲面在u方向上的偏导数，S v(u,v)表示曲面在v方向上的偏导数。
其中曲面上的初始节点P 0满足如下公式：
Figure PCTCN2020104614-appb-000020
其中x＝0，1/n，2/n，…，1，y＝0，1/n，2/n，…，1；
块状或柱状零件网格划分时采用以下四个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x+1/n,y+1/n)，P(x,y+1/n)；
尖角或球状零件网格划分时采用以下三个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x,y+1/n)；复杂零件采用渐变的网格，对应柱状区域采用四个节点的网格，对应球状区域采用三个节点的网格，交界面上两个三个节点的网格拼接成一个四个节点的网格。在孔位，凹槽和边界处网格应做加密处理；
根据不同的网格划分方式，在块状或柱状零件表面以四个点为节点生成面网格再拉伸形成空间网格，从外而内层层划分，直至将整个零件分解质量达标的网格体；而尖角或球状零件表面首先以三个点为节点建立面网格再三维立体化形成体网格，体网格相互之间交相叠加，没有明显的层级区分，填充满球体和尖角等较为复杂的零件内部；对于既有柱状结构又有球状结构的零件采用渐变型网格，在球状等类似的区域采用三个节点的面网格，在柱状等类似的区域采用四个节点的面网格，在结合区域采用过度网格，过度网格做局部加密处理，保证网格的精度；所有加密处理的网格，控制其生长率不高于1.2。
第三步：固有频率分析。对划分好网格的模型施加边界条件，对整体零件施加Z轴负向的重力加速度-9.81m/s 2，模型的泊松比为0.33，弹性模量为2×10 11，密度为7800Kg/m 3，并采用Modal模型对其进行固有频率分析，频率范围为0-10万Hz，查看前三阶频率下零件的易损部位，零件的形变情况如图4所示。
第四步：优化模型参数。根据固有频率计算获得结果，该零件的易损部位集中在上面的端盖与立柱结合的焊缝处，因此焊缝部位需要针对性的强化，可以采取开坡口，加大焊缝深度等措施。而零件上端盖受力形变不大，可以对其进行轻量化设计，减小零件质量，减少生产成本。
第五步：动态受力分析。根据实际运行工况，设计了四步随时间变化的载荷，第一步载荷为0s时底座所受压力1000N，第二步载荷为0.5s时，底座上的部件加速运转，底座所受压力增大为2000N，第三步载荷为1s时，底座上的部件匀速运转，底座所受 压力减小为1500N，第四步载荷为1.5s时，底座上的部件减速运转，底座所受压力减小为1200N。计算结果后，输出底座整体的位移形变云图，如图5所示。整个运行过程中，底座的形变量最大为0.78mm，形变量较小处于合理范围内，复合设计要求，将其加入数据库中。根据实际运行工况，设计若干随时间变化的载荷其中，简单载荷直接施加，复杂动态载荷拟合载荷曲线，载荷拟合公式如下所示：
Figure PCTCN2020104614-appb-000021
Figure PCTCN2020104614-appb-000022
Figure PCTCN2020104614-appb-000023
式中，t为载荷作用时间，T为载荷的周期，F为时间变化的周期动态载荷；a、b、c、u、v、w、α、β、γ为根据实际数据点所在周期分别带入公式中求解，每个周期最小三个数据点，然后可以拟合出一条曲线，得到整个函数的数据。对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入数据库中。
第六步：筛选模型数据库。筛选数据库中所有合格的模型，根据以上设计的两例模型，分析结果都显示零件强度符合要求。对比零件的质量，第二个模型比第一个模型轻了11.17％，零件本身的加工工艺基本相同，优先选择轻量化的模型，减少成本，且符合节约资源绿色环保的要求。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

  1. 一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征是包括以下步骤：
    步骤1、建立零件模型；
    步骤2、划分模型网格；
    步骤3、分析固有频率；
    步骤4、优化模型参数；
    步骤5、动态受力分析。
  2. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括根据零件的工况初步建立零件模型，定义模型材料，记录模型质量；所述工况包括所受载荷的大小，预留的空间以及环境的温度湿度。
  3. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，所述步骤2划分模型网格进一步包括：
    步骤2-1a、设定曲面划分的参数域为u、v双向参数域，其中u、v两个参数方向互呈90度；
    步骤2-2a、定义样条曲线函数：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100001
    其中，C(u)表示曲线上任一点的三维空间坐标，P i表示节点矢量u上i处的控制点，P j表示节点矢量v上j处的控制点；N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；
    步骤2-3a、基于u、v双向参数域和样条曲线函数建立曲面方程：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100002
    式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数；
    步骤2-4a、确定在该平面域内推进的初始节点，并确定推进方向，以u、v两个参数方向的对角线方向为节点的推进方向，对于曲面上的初始节点P 0＝(x 0,y 0,z 0)，求该初始节点的参数值(u 0,v 0)，定义矢量值函数：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100003
    式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数，P 0表示网格节点的初始节点；
    定义标量方程：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100004
    式中，S u(u,v)表示曲面在u方向上的偏导数，S v(u,v)表示曲面在v方向上的偏导数。
  4. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，所述步骤2中曲面上的初始节点P 0满足如下公式：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100005
    其中x＝0，1/n，2/n，…，1，y＝0，1/n，2/n，…，1；
    块状或柱状零件网格划分时采用以下四个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x+1/n,y+1/n)，P(x,y+1/n)；
    尖角或球状零件网格划分时采用以下三个点作为网格的节点：P(x,y)，P(x+1/n,y)，P(x,y+1/n)；复杂零件采用渐变的网格，对应柱状区域采用四个节点的网格，对应球状区域采用三个节点的网格，交界面上两个三个节点的网格拼接成一个四个节点的网格。在孔位，凹槽和边界处网格应做加密处理；
    所述步骤2中不同的网格划分方式，在块状或柱状零件表面以四个点为节点生成面网格再拉伸形成空间网格，从外而内层层划分，直至将整个零件分解质量达标的网格体；而尖角或球状零件表面首先以三个点为节点建立面网格再三维立体化形成体网格，体网格相互之间交相叠加，没有明显的层级区分，填充满球体和尖角等较为复杂的零件内部；对于既有柱状结构又有球状结构的零件采用渐变型网格，在球状等类似的区域采用三个节点的面网格，在柱状等类似的区域采用四个节点的面网格，在结合区域采用过度网格， 过度网格做局部加密处理，保证网格的精度；所有加密处理的网格，控制其生长率不高于1.2。
  5. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括对划分好网格的模型施加边界条件，并采用Modal模型对其进行固有频率分析，查看前几阶频率下零件的易损部位；步骤4进一步包括根据固有频率计算获得结果，在零件易损部位进行强化处理，对强度足够的部位进行轻量化设计，进行模型优化。
  6. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：
    步骤5-1、根据实际运行工况，设计若干随时间变化的载荷其中，简单载荷直接施加，复杂动态载荷拟合载荷曲线，载荷拟合公式如下所示：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100006
    Figure PCTCN2020104614-appb-100007
    Figure PCTCN2020104614-appb-100008
    式中，t为载荷作用时间，T为载荷的周期，F为时间变化的周期动态载荷；a、b、c、u、v、w、α、β、γ为带入上式求得的变量；
    步骤5-2、对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入数据库中。
  7. 根据权利要求6所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，步骤5中对于变化次数较少的载荷，直接在受力面定义随时间变化的载荷，对于工况复杂的零件，若载荷变化频率较快，载荷数值较多，则利用已知的载荷拟合出载荷与时间的曲线，并以固定的时间步长输出载荷与时间的数据，将拟合得到的时间载荷数据作为动态载荷作用于零件上进行计算求解。
  8. 根据权利要求1所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于，包括如下模块：
    用于建立零件模型的建模模块；
    用于划分模型网格的网格划分模块；
    用于分析固有频率的频率分析模块；
    用于优化模型参数的优化模块；
    用于动态受力分析的动态分析模块。
  9. 根据权利要求8所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于：所述建模模块进一步根据零件的工况初步建立零件模型，定义模型材料，记录模型质量；所述网格划分模块进一步针对不同形状的非标准件划分网格；所述频率分析模块进一步用于对划分好网格的模型施加边界条件，并采用Modal模型对其进行固有频率分析，查看前几阶频率下零件的易损部位；所述优化模块进一步用于根据固有频率计算获得结果，在零件易损部位进行强化处理，对强度足够的部位进行轻量化设计，进行模型优化；所述动态分析模块进一步根据实际运行工况对零件施加载荷对优化过的模型进行动态受力分析，强度不合格的模型继续优化，合格的模型加入数据库中。
  10. 根据权利要求9所述的一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法，其特征在于：
    所述网格划分模块进一步设定曲面划分的参数域为u、v双向参数域，其中u、v两个参数方向互呈90度；
    定义样条曲线函数：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100009
    其中，C(u)表示曲线上任一点的三维空间坐标，P i表示节点矢量u上i处的控制点，P j表示节点矢量v上j处的控制点；N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；
    基于u、v双向参数域和样条曲线函数建立曲面方程：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100010
    式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数；
    确定在该平面域内推进的初始节点，并确定推进方向，以u、v两个参数方向的对角线方向为节点的推进方向，对于曲面上的初始节点P 0＝(x 0,y 0,z 0)，求该初始节点的 参数值(u 0,v 0)，定义矢量值函数：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100011
    式中，P i,j表示由控制点i、j组成的次矩阵，N i,p(u)表示节点矢量u上的样条基函数；N j,q(v)表示节点矢量v上的样条基函数；S(u,v)表示由u、v双向参数域和样条曲线函数建立的曲面空间上的任意一点坐标；n表示节点矢量u的个数，m表示节点矢量v的个数，P 0表示网格节点的初始节点；
    定义标量方程：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100012
    式中，S u(u,v)表示曲面在u方向上的偏导数，S v(u,v)表示曲面在v方向上的偏导数；
    所述动态分析模块进一步根据实际运行工况，设计若干随时间变化的载荷其中，简单载荷直接施加，复杂动态载荷拟合载荷曲线，载荷拟合公式如下所示：
    Figure PCTCN2020104614-appb-100013
    Figure PCTCN2020104614-appb-100014
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    式中，t为载荷作用时间，T为载荷的周期，F为时间变化的周期动态载荷；a、b、c、u、v、w、α、β、γ为带入上式求得的变量；
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PCT/CN2020/104614 2020-04-23 2020-07-24 一种基于动态网格划分的非标零件载荷分析方法及系统 WO2021212680A1 (zh)

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