时间:2023-03-15 08:49:13
关键词:三维建模;车床刀架转盘;机械加工;设计;优化
随着我国科学技术的不断进步,我国在机械制造行业所取得的成就也越来越多,车床刀架转盘作为普通的车床刀架的核心零件,它具有造价成本高以及图纸设计构成的体系非常复杂,而且对于这种零件的加工精度非常高,需要的工序也很多等特点。加工车床刀架转盘的设备主要是车床,但是使用的大多数还是传统的二维纸质工艺,在生产的加工阶段,操作的工需反复的查阅相关的资料以及车床刀架转盘的图纸,而且对于车床刀架转盘的操作熟练的人员也非常的少,因此做好对加工转盘的工序进行优化设计的工作就很有必要,从而提高企业的经济效益。
1对于车床刀架转盘零件进行三维建模
对于车床刀架转盘的三维立体建模是通过度对各种方法的结合,制作出不同类型的三维物体形状以及真实环境的过程。对于三维数字化工艺的设计是通过以车床刀架转盘的模型为载体,在进行综合的考虑制造资源以及对产品的制造工艺流程的基础上进行定义,用来控制以及实现可视化表达零件的整个制造过程的数字化模型,从车床刀架转盘的特征角度看,所有的产品零件都可以看成是通过一系列的简单特征所以组成。对车床刀架转盘零件的三维建模的过程中,也就是对很多特征进行叠加,或者是相交和切割的过程,三维工艺的建模过程就是对加工特征以及特征之间的关系进行组织的控制过程。通过对车床刀架转盘零件的图纸进行分析,运用相关的转盘三维模型进行具体的绘制工作。通过打开三维模型的软件,新建对话框进入车床刀架转盘建模环境,再插入车床刀架转盘的图纸,进入草图的环境进行相关的绘制工作,在进行回转命令,进行对回转特征的创建工作,再进行相似的方法绘制其他的零件草图,然后进行零件相关的拉伸特征的设置,除了这些之外还要注意对车床刀架转盘零件的细节特征创建。
2对于车床刀架转盘的机械加工工艺规程的设计
2.1对车床刀架转盘加工的要求进行分析
对车床刀架转盘的零件图进行详细的分析,对相关的零件的尺寸精度以及位置精度的要求进行充分的了解,比如零件的表面粗糙度和燕尾导轨面以及对称度等,相关的精度要求非常高,对相关的零件部位的精度要求分析可以看出导轨面是转盘零件最为关键的加工表面。
2.2对车床刀架转盘的零件图的检查
车床刀架转盘的零件图包括主视图和俯视图以及侧视图,通过采用局部剖视或者半剖视的方法,可以对转盘零件结构表达的更加清晰以及对转盘零件的布局更加的合理,注意对转盘的有关尺寸进行标注,注意对相关的形状精度以及位置精度进行详细的标注,而且要保证标注的统一性以及完整性,确保转盘零件符合国家的相关标准规定,通过对转盘零件的各项技术要求的可行性进行确定,保证了转盘零件设计的合理性,从而为转盘零件的组织生产以及机械加工工艺技术做好充分的准备工作。
2.3对转盘零件生产类型的分析
根据相关的公式以及企业的生产条件进行确定车床刀架转盘的年生产量,结合车床刀架转盘质量的分析,以及对加工工作各种零件的生产类型的数量和工艺的特征进行考虑,从而可以确定出车床刀架转盘的生产类型为中批生产。
2.4确定转盘零件机械加工的工艺流程
通过对转盘零件的零件图进行分析可以得出,转盘长度以及宽度等的设计标准,还有转盘高度的设计标准以及燕尾面的粗基准,对各端面根据相关的基准进行加工,再采用一面两孔的定位方式进行加工其他的表面,从而确定出车床刀架转盘的机械加工工艺的设计流程。
2.5确定相关的设计设备
通过对车床刀架转盘的机械加工工艺的方案以及各种方面加工的方法进行分析,结合对车床刀架转盘的最大轮廓尺寸和加工精度的考虑,进行对加工机床的选择,以及对各种刀具和量具以及夹具的选择。
2.6制定零件机械加工工艺的规程
通过对上文的论述结果的分析,进行车床刀架转盘的机械加工工艺各项要求的制定,制定的车床刀架转盘零件的机械加工工艺的规程是企业组织车床刀架转盘进行生产工作的标准,是整个车床刀架转盘机械加工工艺规程优化设计工作的重要环节之一。
3结束语
车床刀架转盘的三维工艺项目能够大大降低企业的成本,从而增加企业的经济效益。企业的精益化生产才符合现阶段时代的发展,才能够紧紧跟随智能化制造的步伐。在对车床刀架转盘的机械加工工艺规程的优化设计过程中,要做好对于零件的分析以及研究工作,通过对车床刀架转盘零件的机械加工工艺进行优化设计,制定好相关的零件机械加工工艺规程,才能缩短零件的生产周期,从而降低制造的成本以及提高了零件的精密度,对提高企业的劳动生产率以及降低劳动的强度都有着重要的作用。
作者:张克盛 单位:甘肃畜牧工程职业技术学院
参考文献:
[1]熊朝山.车床刀架转盘三维建模及加工工艺规程设计[J].2014(5):67-68.
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夹具图形的XML描述与ACIS平台下的应用苗娇 段国林 蔡瑾 姚涛 (74)
基于系统建模和关联管理的协同设计方法吴卫东 廖文和 许晓琴 邢青松 (78)
计算机辅助机构平衡软件CAD-FB开发徐鹤 黄剑 王勇 章文俊 (82)
《趣谈无所不在的设计》(科普书)邹慧君 蒋祖华 (132)
《实用机床设计手册》隆重出版隋秀凛 高安邦 (132)
“物质-场”分析法在控制策略创新设计中的应用刘歌群 (7)
3-RPS并联构型的管片拼装新机构黄业平 郭为忠 高峰 (12)
双曲柄滑块机构传动函数的傅里叶展开周校民 蔡高参 王忠 (15)
机构学与机械动力学
不完全约束绳牵引并联机器人的微分平坦性分析江晓玲 郑亚青 (19)
2自由度门式起重机器人的轨迹控制郑亚青 吴建坡 (23)
混流血泵血液压差损伤机理分析及仿真云忠 石芬 向闯 谭建平 (29)
虚拟环境下基于复合视觉的月球车导航技术余迪利 鲍劲松 金烨 王伟 (33)
液压Stewart平台柔性换向控制彭利坤 吕帮俊 梁定平 曾晓华 (37)
柔顺机构中大变形柔性梁的2自由度伪刚体模型冯忠磊 余跃庆 王雯静 (41)
基于四端网络法的指数形超声换能器性能分析李贵花 张向慧 傅水根 左晶 高炬 (44)
无侧隙双滚子包络环面蜗杆传动的运动仿真刘新华 张均富 王进戈 (49)
YKS5120B-3数控插齿机床身结构有限元分析田启华 周祥曼 杜义贤 李慧 王伟 (53)
轴向型三缸内燃泵连杆优化设计姜勇 杨道斋 张洪信 赵清海 张铁柱 (57)
双台肩钻具螺纹接头的力学性能分析及测试林元华 张林 罗增 李中全 卢强 周平 (61)
基于SolidWorks与ANSYS的挖泥船绞刀有限元分析刘姣 李洪彬 钱丽娜 倪福生 许卫光 (64)
高温下机械零件受持久交变应力时的疲劳研究王振成 刘爱荣 王欣 (67)
基于多方法融合的铁路轴承故障诊断姚德臣 杨建伟 殷玉枫 蔡国强 (70)
基于虚拟样机的地下铲运机驾驶室人机分析朱绍维 贾美薇 杨承军 何文波 丁国富 (85)
红外探测器保护结构设计与动力学分析孙德伟 张广玉 王武义 董惠娟 (89)
混沌系统的负反馈统一控制参数方法及其仿真覃玉祝 谢进 陈永 陈江瑜 (94)
基于机器视觉技术的研磨表面粗糙度检测时小军 张玉琴 张小辉 (101)
卧式振动离心脱水机动力学参数设计及振动响应测试刘克铭 杨伟红 任兰柱 崔凤录 (104)
大型天线舱风载作用下力学特性及稳定性分析沈文军 沈琦 (108)
信息扩散和径向基神经网络的注塑模型建立黄宗南 王祺 刘文豪 (112)
新能源汽车底盘纵臂的轻量化设计胡伟 喻川 张建武 冯奇 (115)
混合动力客车电池包散热系统的仿真与优化许超 顾力强 吴红杰 (118)
荣威750FCV前横向稳定杆结构的轻量化喻川 胡伟 张建武 王斌 (121)
核电站燃料厂房辅助吊车抗震计算付强 袁寿其 朱荣生 (125)
卧式振动离心机有限元仿真与模态分析任兰柱 刘克铭 杨伟红 崔凤录 (128)
《机械设计与研究》征稿启事 (1)
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对设计的内涵、作用和方法的思考邹慧君 (7)
推进剂贮存容器J积分安全评定与寿命预测胡宽 常新龙 杨海生 (15)
新型变位机的设计与分析马杰 马春翔 郭为忠 高峰 (19)
满足轨迹点速度要求的轨迹机构设计方法陈玉华 王鑫 郭卫东 (22)
基于Powell—PSO混合算法的铲运机正转六杆机构优化设计米蓉 丁国富 (28)
球面机构研究动向刘艳芳 杨随先 (32)
新型2自由度并联平动机构构型及运动性能彭斌彬 肖杰 陈小岗 孙宇 (36)
磁流变并联减振系统半主动控制及实验朱小蓉 朱伟 沈惠平 (40)
码垛机器人动力学建模与滑移模糊控制宁凤艳 (44)
一种液动桑性机械手手腕结构的设计与分析魏星 于萍 周安明 (48)
6自由度串并联机器人的逆运动学分析胡安元 赵现朝 高峰 (52)
一种微进给辅助支承机构的设计与分析周虎 杨建国 陈少梅 (56)
基于AMESim的船用液力偶合器充排油液压控制系统张健 施光林 吴凡 翁建斌 (61)
基于计算智能的机械零部件可靠性优化设计刘仁云 于繁华 张义民 (65)
精密滚珠丝杠副的弹流分析张佐营 李志 崔增柱 宋现春 (69)
基于BP神经网络和设备特性的工业设备备件需求预测张冬 明新国 赵成雷 李冬 王鹏鹏 (72)
煤矿井下人员呼救报警系统测距法定位算法赵金录 郭晓娥 (77)
轮辋滚压成形的数值仿真技术邓锐 石磊 于忠奇 李淑慧 蒋浩民 (80)
磨削参数对硫化氢应力腐蚀试样表面质量的影响分析与优化柏文峰 胡德金 刘玉文 (84)
基于拓扑优化的机床立柱筋板改进饶柳生 侯亮 潘勇军 (87)
不同水下仿生推进器性能影响的比较徐海军 潘存云 张代兵 谢海斌 (93)
一种柴油机半主动电磁作动器的设计及特性仿真石勇 刘友 袁志国 (97)
汽车座椅骨架塑性极限分析方法罗智恒 丁晓红 王海华 季学荣 (101)
计算机辅助软件在抛送物料模拟中的联合运用翟之平 杨忠义 韩晓玲 李凌志 (104)
300MN水压机活动横梁的变形规律梁米 谭建平 陈晖 (108)
刺绣机横梁的模态分析及优化设计白皛 赵罘 林建龙 辛洪兵 龚堰珏 (111)
磁密封在深水作业灵巧手上的应用汪步云 许德章 杨明 曹会彬 (113)
普通内摆线单螺杆式水力机械流动接触点分析宋玉杰 孟碧霞 温后珍 (117)
轮椅床智能座便器设计白建军 张华 刘继忠 (121)
《机械设计与研究》征稿启事 (1)
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基于B样条和遗传算法的币道曲线设计与优化张斌 莫锦秋 梁庆华 陈婷 (7)
基于SolidWorks的渐缩弯头展开新方法孔令云 (11)
失效预测在产品直接进化理论中的应用薛来 李彦 李文强 熊艳 (14)
平底摆动盘形凸轮机构运动误差分析计算林菁 陈海龙 茅宏伟 (17)
新型管道除锈机行走部的设计与仿真分析施绍宁 赵永强 王旭飞 (21)
一种新型组合驱动器的精度分析陈洪雷 郭为忠 高峰 (25)
空间杆系结构布局优化的能量法李波 李建营 周鑫 (28)
Stephenson-Ⅲ六杆机构死点位置的结式消元法识别邹炎火 郭晓宁 (32)
深海采矿车颠簸状态下微地形探测点位置确定邓跃红 卜英勇 汤晓勇 (35)
一种径向永磁轴承设计与研究贾东方 李文鹏 汪希平 田丰 钱婧 (38)
松软月壤上月球车驱动能力的仿真研究刘淑军 管西强 李遥 杜三虎 (43)
行星齿环换向机构的加速度分析及参数优化魏华 王进戈 张均富 (47)
曲柄摆块输入少齿差行星齿轮传动机构崔建昆 王飞 (52)
薄板件焊装仿真零件定位偏差的计算方法李培成 沈利冰 来新民 张媛媛 (54)
车用催化器流场的数值模拟与结构优化设计刘梦钦 李彦明 刘成良 (59)
计算机断层成像法预测在役车轮的疲劳寿命李林升 曾理 段黎明 张金波 (64)
华人属相艺术转盘及其功能传动机构设计吴央芳 石永刚 张俊 (69)
液晶面板生产线中的车辆调度研究吴晖 胡小锋 金烨 鲍劲松 (72)
面向按订单生产的工作流系统设计与应用张云飞 赵杨洋 徐竹田 (75)
基于Geomagic Qualify软件的冲压件回弹检测邹付群 成思源 李苏洋 杨雪荣 张湘伟 (79)
制造资源配置中的容错处理技术吕纪威 顾寄南 (82)
曲面等行距三维加工方向选择的理论及实验刘璨 李德荣 谭光宇 (85)
H型钢冷却过程的热应力分布规律研究赵建琴 (89)
改进小波包与RBF网络在轴承诊断中的应用刘海波 杨建伟 蔡国强 姚德臣 (92)
汽车通过减速带动力学响应分析侯臣元 彭为 靳晓雄 张强 (95)
基于神经网络的硬岩掘进机截割头反设计方法张强 毛君 李守巨 田大丰 (99)
农用车车架的结构分析与优化赵栋杰 包春江 张利鹏 (102)
涡轮叶片并行子空间多学科设计优化贺谦 李元生 敖良波 温志勋 岳珠峰 (106)
电动低速汽车车身结构刚度约束拓扑优化设计徐晓瑜 郭永进 (110)
低压断路器智能测试调整系统的基本原理程武山 许勇 (114)
重载货车驱动桥壳有限元分析张骄 杨建伟 (118)
基于免疫算法的断开式转向梯形优化设计李子朋 石永金 (121)
悬架参数多目标性能优化董军哲 杨建伟 李敏 (123)
医用呼吸床的人性化创新设计及运动仿真闫晓玲 刘载文 许继平 王望龙 (128)
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第8届中国机构与机器科学应用会议(国际会议)(2009 CCAMMS)征文通知2009年8月18-22日 (118)
多视点云数据快速对齐方法康兰 冯亚娟 陈正鸣 (7)
形状可调的G^2连续三次Bézier插值曲线杨文颖 宋来忠 彭刚 (10)
一种基于集成模式的六西格玛设计方法胡艳 李彦 麻广林 (15)
采用物质—场的功能分析法张建辉 檀润华 陈子顺 (19)
膜盒式压力传感器的创新设计原理与工程应用李绍炎 (24)
非线性裂纹转子密封系统的耦合振动分析高崇仁 殷玉枫 姚德臣 朱建儒 (27)
线形弹性构件广义内力的计算方法刘辉 徐彦 (32)
反射镜组件的动力学特性杨晓宇 里程遥 李翰飞 (35)
上肢残疾者的助力辅助装置石松隆和 姜楠 高岛亮 熊野慎一 诸麦俊司 (38)
微通道内壁面粗糙度对电渗流影响有限元模拟葛忠年 刘莹 (40)
安装于电动轮椅上轻型作业臂的研制及评价姚玉峰 苏衍宇 杜志江 孙立宁 (43)
一种新型六维加速度传感器的结构设计与分析许益明 赵现朝 高峰 张建政 (48)
有限刚体元方法在微扑翼飞行器翅翼动力分析中的应用王艳秋 谢进 陈永 (53)
平面包络环面蜗杆修型的研究文庆明 周良墉 徐华 (57)
非对称塑料齿轮弯曲应力的解析法计算郝瑞贤 李威 李元宗 (61)
惯性释放原理在车架结构优化设计中的应用扶原放 金达锋 乔蔚炜 (65)
风力发电机叶片气动弹性响应分析傅程 王延荣 (68)
典型轴类零件的热变形规律高慧莲 朱敏波 宋东升 (71)
某型汽车螺栓力学强度的有限元分析赵欣 李文波 邓磊 郑万民 王小平 (73)
高精度大尺寸机件的中心距测量检具设计袁小江 (75)
HSK工具系统的屈曲响应计算和分析沈春根 王贵成 王树林 (77)
再制造产品数据库中对象唯一性标识方法饶锡新 柳和生 宋兆坤 李文江 (81)
动力减振镗杆结构参数优化张海丰 马术文 丁国富 谢斌斌 王建 (84)
尺寸效应对H62黄铜微拉伸性能的影响王匀 陆广华 许祯英 吴江平 王晶晶 (88)
零件工艺信息的提取与加工过程的三维动态仿真刘婷婷 侯书林 陶轶栋 孔冶 (91)
基于网络优化的复杂型腔刀具轨迹规划算法赵振宇 刘白 周后明 余松森 (96)
数控选区电化学沉积快速成型的基础试验黎建军 李湘生 梁天长 李高飞 陈里龙 (100)
一种可重构容错探测车的设计与仿真姬鹏升 范守文 (103)
采用多级模糊评价的柴油机可靠性分配杜丽 黄洪钟 宋巍 (107)
基于变频技术的电线包膜机改进设计郑勐 (111)
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2008年《机械设计与研究》期刊理事会名单 (2)
高等教育出版社机械——材料学科研究生教学用书简介 (125)
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高等教育出版社机械工程学科研究生教学用书新书书评 (126)
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第8届中国机构与机器科学应用会议(国际会议)(2009CCAMMS)征文通知2009年8月18—22日——中国·武汉一十堰 (128)
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回转键合图法进行空间多体动力系统建模与仿真王中双 徐长顺 陈集 (7)
基于环境健壮性的班组武器动力学优化徐万和 李忠新 吴志林 (12)
针对机电耦联系统改进的粒子群动力学优化方法孙燕 李强 武建新 赵卫国 (15)
研磨表面微观形貌的三维检测及Areal表征陈国强 张维强 彭文静 (19)
技术积累对多阶段研发计划制定方法的影响吴辉辉 邹礼瑞 (23)
球面四杆机构函数综合精确点选择新方法阳红 杨随先 (28)
一种9杆巴氏桁架的位移分析王品 廖启征 陆震 (33)
国家标准GB/T10853—2008《机构与机器科学词汇》已和实施 (36)
丝织机开口机构的创新设计周万春 刘冬敏 王栋 (37)
混合驱动六杆机构的轨迹特性及优化设计王汝慧 李瑞琴 (40)
关于正置式凹弧底直动推杆盘形凸轮机构的探讨李延平 杨富富 常勇 (44)
液压驱动机械臂的轨迹规划杨政 尚建忠 王彪 唐力 梁科山 苟明康 (47)
三分支机器人优化关节力矩的轨迹规划洪磊 贾庆轩 孙汉旭 陈钢 (52)
虚拟封闭运动链法提高机器人运动学标定精度夏天 孙翰英 范嘉桢 杨建国 (57)
一种球面2-DOF冗余驱动并联机器人的优化设计张立杰 李永泉 史文雅 (60)
月球车虚拟仿真系统中自主导航的实现王伟 鲍劲松 金烨 杨艳春 杜三虎 (65)
一种新型气动压力机构设计李绍炎 (70)
沙滩摩托车前桥传动系的建模与运动学仿真孙传祝 (73)
发动机悬置橡胶元件疲劳特性研究进展靳晓雄 张强 单莘 (77)
液力偶合器流场的技术仿真杨威嵬 吴凡 虞俊 (79)
汽车盘式制动器优化设计李志华 张选龙 郭林超 (83)
基于模糊自组织映射网络聚类的案例库维护庞雅思 褚学宁 程辉 (86)
微束微区X荧光探针仪的机械系统设计杨健 葛良全 张邦 王汉彬 (90)
基于投影网格的切削加工计算机仿真袁一平 马雷 (93)
面曝光快速成形关键技术及研究现状王伊卿 贾志洋 赵万华 卢秉恒 (96)
直缝焊管排辊成型CAD参数化快速建模系统开发史文超 李大永 彭颖红 王玉国 (101)
采用虚拟仪器与电阻法的曲轴疲劳损伤试验机程海正 陈铭 (105)
机械运转调速实验系统的创新设计张群艳 唐浙东 (109)
动态测量建立曳引电梯的能耗仿真模型金建峰 朱昌明 张鹏 王士琴 (112)
一种液体喷射注射系统的设计与检测周华 陈凯 吕永桂 (116)
论文摘要:分析了产品虚拟动态设计的一般过程,以数控车床关键部件一尾架为例进行研究。通过虚拟动态分析技术,确定了尾架系统是整机结构中的薄弱结构,存在动刚度严重不足的问题。根据新车床的结构布局情况,对尾架结构进行改造。改造后的尾架由上下2部分组成,cae分析结果表明,其结构动刚度得到很大的提高,为数控车床整机的动态优化莫定了基础。
0前言
机械结构虚拟优化设计是以 计算 机建模和仿真技术为基础,集计算机图形学、虚拟现实技术、机械动力学、有限元分析、优化设计等技术为一体,由多学科知识组成的综合系统技术,是机械结构动力学设计技术在计算机环境中数字化、图像化的映射。本文分析了机械产品虚拟动态优化设计的一般过程,以数控车床关键部件一尾架为例,建立了三维可视化的有限元cae模型,通过对模型进行结构分析,实现该部件结构的动态优化。
1机械结构虚拟动态优化设计过程
机械产品虚拟动态设计的一般过程是:先建立满足工作性能要求的产品初始cad模型(初步设计图样),然后对产品结构进行动力学建模和动态特性分析,再根据工程实际情况,给出结构动态特性的要求或预定的动态设计目标,按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数,或按结构“正问题”分析法,进行结构改进设计,直到满足预期性能设计要求,从而获得一个具有良好静、动态特性的产品设计方案,如图1所示。结构动态设计的主要内容包括:
(1)建立一个切合实际的结构动力学模型;
(2)选择有效的动态优化设计方法。
2机械结构建模分析及优化实例
以数控车床关键部件尾架为例进行研究。数控车床动态设计是在“正问题”处理方法的基础上进行的,数控车床共有零、部件800多个,其中对整机结构性能影响大的零、部件主要有以下几个:床身、主轴箱、尾架等。为使整机具有良好的动态性能,必须对关键部件进行优化。为此,应先建立数控车床主要部件的几何模型和满足其动力学特征的有限元模型,进行动态分析,根据动态分析的结果对原部件结构设计的薄弱环节进行动力学修改和结构分析优化,最终得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。
数控车床的尾架安置在床身的尾架导轨上,并可沿此导轨调整其纵向位置。尾架套筒的锥孔装有后顶尖,用以支撑工件。由于尾架顶尖与主轴箱卡盘的同轴度直接影响着车床加工零件的精度,因此,尾架的结构是否合理对保证车床加工高精度很重要。
如图2为尾架系统的有限元模型,考虑到实际情况,将尾架导轨与两导轨座作为一体处理,尾架体与导轨之间以互为接触单元为主,每个导轨座均布4个全约束点,系统共有单元7 049个。得到尾架系统前三阶振型如图3(a),3(b),3(c)所示。表1列出了尾架系统计算频率及振型特性。
由分析可知,该尾架系统刚度很弱,相当于简支梁,是整机结构中非常薄弱的部分。综合新车床的布局,考虑铸造工艺性,尾架的导轨直接与床身一体,优化后的尾架由上下2部分组成,如图4所示,其有限元模型如图5所示。
建立改进尾架的有限元模型,系统共有2 210个体单元,对尾架上下2部分祸合12个节点,前三阶固有振型如表2所示。
由表2可知尾架的频率得到了很大的提高,振型也有了很好的改善。
3结语
关键词:机械优化设计;优化方法;工程应用
一部完整的机器是一个复杂的系统,要提高设计质量,必须采取科学的设计方法。传统机械设计主要依靠设计人员的设计经验,对若干种设计方案进行比较,然后从中选出最好的设计方案,但是选出的这种设计方案只能是有限种设计方案中的最优者,并不一定是所有方案中的最优者。传统设计方法缺乏对设计对象的全面理论分析,具有很大的局限性。现代机械设计已经不能满足于传统的经验设计,随着数学和计算机等相关学科的发展,优化理论开始在机械设计领域有所应用。
1 优化设计发展简介
优化的概念在很早的时候就已存在。人类在发展的进程中,很早以前就有了最简单的优化意识,早在14世纪,即出现黄金分割法和分数法的一维搜索法的基本思想,但是科学的表达出优化的概念,还是从17世纪时随着数学的发展而开始的。古典的优化方法起源于20世纪40年代,主要是应用微分法和变分法,在50年代提出线性规划和梯度法,60年代出现多维非线性约束规划的罚函数法。在第二次世界大战期间,由于军事上的需要产生了运筹学,提供了许多用古典微分法和变分法所不能解决的最优化方法,优化技术才开始应用于解决实际问题。1967年,美国的R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年,C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后,优化设计在机械设计中得到应用和发展。随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展,优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科,并显示出越来越重要的作用。
2 优化设计的基本思路
优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础,以计算机为手段,根据设计所追求的性能目标,建立目标函数,在满足给定的各种约束条件下,逐渐逼近,寻求最优的设计方案。近年来,随看数学规划理论的不断发展和计算机的计算能力不断挖掘,机械优化设计方法和手段都有非常大的突破,优化设计思路不断的开阔。机械优化设计的大致方法可以归类如下。
3.优化理论的应用举例
目前,机械优化设计己经广泛应用在航空航天、造船、工程机械、通用机械与机床、化工机械、汽车工业、建筑机械等行业,取得了大量的研究成果。
例如,美国贝尔飞机公司采用优化方法解决450个设计变量的大型结构优化问题。在对一个机翼进行质量设计中,其质量减少35%。波音公司在747机身的设计中运用优化理论,收到了减少质量、缩短生产周期、降低成本的效果。在潜艇结构、中小型集装箱结构、油船剖面、潜艇外部液压舱等结构优化设计方面进行的研究,提高了相关研究对象的性能,为船舶设计提供了一种可靠、精确的设计方法。
实践证明,优化设计是保证产品具有优良性能,减轻自重和体积,降低产品成本的一种有效设计方法。优化方法在机械设计中的应用,既可以使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果,又能使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来,并大大提高设计效率。
4 优化理论未来展望
优化设计是一门新兴学科,它将最优化原理和计算技术应用于设计领域,为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。作者认为,优化理论未来的发展热点应在如下方面。
(1)更先进的算法
算法是实现优化的灵魂。只有不断探索更先进的算法才能应对不断出现的工程实际问题。一个好的算法不仅能使计算过程大大简化,而且可以使计算结果出错的可能性大大减小。
(2)更先进的优化软件
软件是算法实现的手段,先进的算法层出不穷,软件也需要不断更新以实现算法思想。
虽然,具有结构优化功能的软件比较多,但是,结构优化设计软件的通用性、易用性和有效性有待进一步提高,特别是结构优化设计数学模型的建立比较复杂,对于大型复杂结构,问题尤为突出。
(3)多学科结构优化设计
过去的机械结构优化设计一般主要集中在某个零部件上,或者只考虑某一个性能或学科的影响,因此造成结构优化设计的结果不理想,甚至互相矛盾,这就使结构优化设计必然走向系统和总体的优化设计。比如,在车辆结构设计中,单从减轻结构重量的角度考虑,希望在保证安全的前提下,汽车重量越轻越好。这样容易忽视由于某些参数改变而引起的汽车动力学问题,影响乘坐舒适性。所以,⒏鞲鲅Э葡低承钥悸牵才能最大程度的发挥优化理论的优势。于是,现在出现了一个新兴的结构优化设计理论――多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,简称MDO)。随着计算机性能的快速提高和人们对产品性能要求越来越高,以及机械系统复杂程度的提高,MDO为机械结构优化设计开辟了新的研究领域。
参考文献
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作者简介
张臣(1996-),郑州大学机械工程专业,2014级本科生。
吴恒鑫(1995-),郑州大学机械工程专业,2014级本科生。
关键词:超大型平头塔式起重机;平衡臂;优化设计;有限元
中图分类号:TH2文献标识码:A
Abstract:Taking the counterjib of T3000160 super large flattop tower crane as the research object,the structure is optimized. Firstly,the finite element simulation model of the counterjib is established. Then,the APDL algorithm language and parametric technique in Ansys are used to parameterize the design dimensions of the counterjib structure. Through the structural optimization,the optimal crosssectional dimension of the main structure of the counterjib is obtained,The results show that the overall strength and rigidity of the counterjib meet the design requirements,and the parametric design can improve the design quality of the construction machinery.
Key words:super large flattop tower crane,counterjib,optimized design,finite element
1引言
S着有限元技术的不断发展,计算机辅助设计在塔式起重机关键组成部件的优化分析设计中得到了广泛应用。计算机辅助设计及有限元分析技术的引进使用,使得塔机产品使用起来更加安全和高效。超大型平头塔式起重机作为塔机发展的方向,其结构复杂,工况多样,仅仅对其进行整体的综合系统设计是不够的,更应该关注其细节结构设计分析,关注计算机优化设计。
本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机作为研究对象,利用计算机辅助设计技术对平衡臂结构进行有限元建模分析,使用APDL算法完成平衡臂结构的优化设计,达到降本增效的目的。
2Ansys有限元分析优化设计的有关概念121设计变量设计方案完成后,其中的设计元素可以用一组基本参数数值来表示,这一组参数数值就是所谓的设计变量。
22目标函数
在产品结构设计中,可以利用一些设计指标衡量一项设计方案的好坏,通过把设计指标参数化得到相关函数来表示这些指标,这些相关函数即是优化设计的目标函数。
计算技术与自动化2017年6月第36卷第2期郭纪斌等:基于Ansys的超大型平头塔式起重机平衡臂优化设计23约束性条件
所谓约束性条件是在对与目标函数相关的设计变量进行取值时加入的限制性条件。约束类型按照目标函数中设计变量的不同性质可分为边界性约束和性能性约束。
24合理性设计
所谓合理性设计是指满足设计方案所有给定约束条件(包括设计变量的约束和状态变量的约束)的设计。倘若给定约束条件中的任一条未满足,该设计就被认为是不合理的。而最优设计就是既能满足所有约束条件同时目标函数值又是最小的设计。
3超大型平头塔机平衡臂优化设计的步骤
在Ansys软件中可以用两种方式进行结构优化设计:图形交互式或者数据批处理来完成。在本论文中,选用数据批处理方式来进行平衡臂结构优化设计,以期提高优化设计效率。
由于用户采用优化方式的差异(批处理或GUI方式),Ansys优化设计步骤会有些许差别。本论文中平衡臂优化设计步骤如下:
31分析文件的生成1311参数化建立模型通过Ansys软件/PREP7命令把设计方案中的设计变量参数化建立数据模型的工作完成。对于本论文选定的T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂,设计变量是拉杆和臂架弦杆的尺寸,如表1所示。
表1设计变量
设计变量1初值(mm)1变量含义X112001平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X21361平衡臂下弦杆角钢L200X36的截面长度X31651平衡臂拉杆圆钢Φ130的半径
312计算求解
Ansys中的求解器主要是对分析类型和分析选项在优化过程中进行定义,并完成载荷的施加,及对载荷步的指定,最后进行有限元分析计算,同时在分析过程中需要的数据都要在计算求解过程中指出。
在本论文平衡臂的优化分析中,solution 部分输入如下:
/SOLU
PREP7,
…
BEAM,P21X,5,PRES,-0.2c-5,…
Acc1,0,10000,0,
AUTO CP,0,0.65*2,
SOLVE,
FINISH。
313提取参数化分析结果
对分析结果进行提取并给相应的参数赋值,这些参数通常情况下包括目标函数和状态变量。完成本步操作使用POST1命令,尤其是与数据的存储、加减或者其他操作相关时,而对数据的提取通常用*GET命令(Utility Menu>Parameters>Get Scalar Data)来完成。
在本论文研究中,设置平衡臂总重量为目标函数。因为重量和体积成比例关系,对产品总体积的减小就相当于总重量的减少,因此把总体积设计为目标函数。在优化研究中,把轴向应力、节点位移设置为状态变量。这些参数的设定可以用下面的方法进行定义:
/POST1
ETABLE,evolume,VOLU,
QR SSUM
*GET,VOLUME,SSUM,DEFORMED,EVOLUME
…
QR,SMAX_E,LS,0,1
CP,ETAB,SMAX_E,0,1,
*GET,SMAX_E,SORT,MAX
…
*GETT,DYMAX1,NODE,1528,Z,Y
…
32对计算结果优化分析
建立完成分析文件之后,就可以利用计算机进行优化分析。在优化处理器中,这些相关参数的值被假定为一个设计序列,所有参数会在Ansys数据库中被自动设置为设计序列1。
4超大型平头塔机平衡臂优化设计结果
通过10次迭代计算完成对模型参数的优化,目标函数与设计变量的变化如图1―图3所示。
图1设计变量X1优化示意图图2设计变量X2优化示意图图3设计变量X3优化示意图通过上面的优化示意图可以看出,三个设计变量都是平衡臂主结构件的截面尺寸,经过优化计算,截面尺寸都得以减小,而与其相关的目标函数(平衡臂总体积)有总体减小的趋势。
在优化计算时不仅要减少平衡臂体积,同时其结构对强度和刚度的设计要求也要满足,所以本研究增设状态变量1(平衡臂端部位移)和状态变量2(截面危险节点的应力值)为研究对象,其优化过程如图4―图5所示。
图4状态变量1优化示意图图5状态变量2优化示意图从两个状态变量的优化过程可以看出,在经过多次迭代优化后各状态变量值变量均在设定值范围内变化,变化非常小。
目标函数的最优解在Ansys优化设计过程可以自动选出,在本论文中得出的最优解见表2。
由优化计算结果可以看出,平衡臂总质量由18.87吨优化到了17.13吨,p少了1.74吨,减重百分比为9.22%。与初始设计方案相对比,优化后主体结构件截面尺寸减小,从而降低了平衡臂总质量,达到了减轻平衡臂总重量的优化设计目标。通过对优化模型有限元分析结果的检查,其结构刚度、强度均符合设计要求,如表2所示。
本论文选用Ansys一阶优化方法对以平衡臂总质量为目标函数的方案进行计算优化,优化后平衡臂结构强度刚度均在设计允许值范围内。通过定义主要结构件尺寸的优化,平衡臂总重量减少1.74吨,降幅9.22%。
5结论
本论文以T3000160超大型平头塔式起重机平衡臂的优化设计为研究对象,采用现代设计理论和方法,使用主流有限元分析软件Ansys完成对平衡臂结构的优化分析,其过程主要如下。
(1)建立T3000160塔机平衡臂有限元分析模型,选用BEAM188,MASS21等作为模型分析单元,确保有限元模型结构、重量等参数的设置符合实际情况。
(2)各项参数满足设计方案要求。通过优化分析,得到平衡臂主体结构件的最优截面尺寸,同时有限元分析结果表明整体结构强度和刚度满足设计方案需求。
(3)本论文选取T3000160超大型平头塔式起重机的平衡臂进行有限元分析优化设计,为超大型平头塔式起重机平衡臂及其他相关部件结构的强度分析和设计提供一个理论性的支撑,同时提高工程机械设计质量,缩短设计周期,促进优化设计法在起重机设计中的应用。
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关键词:齿轮轴 UG 有限元分析 优化
0 引言
行星齿轮减速器因具有体积小、重量轻、承载能力高、结构紧凑、传动效率高等优点而广泛应用于冶金机械、工程机械、轻工机械、起重运输机械、石油化工机械等各个方面。UG软件是集CAD/CAE/CAM为一体的三维化的软件,它是当今最先进的计算机辅助设计、分析、制造软件,广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。UG的CAD/CAE/CAM功能模块有复杂的特征建模、装配、运动仿真和有限元分析等功能。实现UG有限元分析功能,必须要遵从UG有限元分析的一般过程,构建有限元模型,其中包括自动网格划分、添加约束与载荷,利用图形的方式得到模型应力、应变的分布情况。机械优化设计,就是在给定的载荷和约束条件下,选择设计变量,建立目标函数并使其获得最优值的一种新的设计方法。
1 齿轮轴几何参数的初选
通过常规设计方法设计计算出齿轮轴的几何参数,齿轮轴的齿形为渐开线直齿。分配减速器传动比,计算齿轮模数,并根据传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件确定齿轮的齿数。齿轮轴的齿轮基本参数如表1所示。
2 齿轮轴的三维建模
利用UG/Modeling模块建立齿轮轴模型,如图1所示(去掉网格后的实体模型)。
2.1 网格划分
网格划分越密集,计算结果越精确,但是这会使计算时间加长。单元网格的划分采用UG自带的3D四面体自动网格划分,单元尺寸为3mm。网格划分情况如图1所示。
图1 齿轮轴的网格划分
2.2 定义材料特性
齿轮轴材料选择20Cr,其材料属性如下:质量密度 7.850e3kg/m^3,杨氏模量205000N/mm^2(MPa),泊松比0.29,屈服强度等于540N/mm^2(MPa)。
2.3 施加约束和载荷
齿轮轴两端由两个滚子轴承支撑,限制了空间5个自由度,只允许转动。本论文只考虑齿轮轴齿轮处的应力进而对其进行优化,所以为齿轮轴加载荷及约束,安装轴承处加圆柱形约束,在轴端即与联轴器相连处施加大小为175.083N·m的扭矩。约束和载荷施加情况如图2所示。
图2 齿轮轴的载荷施加
2.4 求解和结果查看
UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理功能,可以自动生成计算分析报告。齿轮轴的Von Mises应力图如图3所示。单元节点最大应力为325.8MPa,基本接近材料屈服强度的60%。总体来说,输出轴在强度方面不仅满足了设计要求,而且还有很大的裕量,材料的承载能力并没有得到充分的利用,这为齿轮轴的优化提供了很大的空间。
图3 Von Mises应力图
3 齿轮轴的优化
设计目标:
最小化 模型 重量
设计约束:
模型 Von Mises 应力,上限=320000.000000
设计变量:
a::p53,初值=38.000000,下限=32.000000,上限=38.000000
最大迭代次数:20
优化结果如图4,图5所示。
由图6迭代分析结果可以看出,在进行第三次迭代的过程中,应力值超出上限,所以,以第二次的迭代结果为准,此时的齿宽为35mm,应力值为295MPa,比较理想。所以常规设计方法得到的齿宽b=38应变为优化设计方法得到的齿宽b=35,此时的应力值为295Mpa,亦满足强度要求。
4 结束语
本论文利用UG的高级建模功能,在对行星齿轮减速器齿轮轴进行参数化建模的基础上,建立了有限元模型并进行了有限元分析,得到了齿轮轴的Von Mises应力图,替代了常规校核的设计方法,大大提高了设计效率。同时对齿轮轴的齿宽进行了优化设计,使得设计方案比原常规设计方案在齿轮轴重量上下降了2.02%。为多个设计变量(如模数、齿数)的单或多目标函数优化奠定了基础。
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【关键词】压力容器 应力分析 优化分析 有限元ANSYS
【Abstract】Taking engineering actual demand into account, ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition, finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis, which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time, optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness, provide theoretical basis with optimization.
【Key words】pressure vessels;Stress Analysis;optimization;ANSYS finite element software
1 引言
随着科技的发展,压力容器在众多工业部门中有着广泛的应用,对压力容器的要求也越来越高。以往的压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法,以弹性失效准则为基础,材料的许用应力采用较大的安全系数来保障。由于设计偏于保守使得设计的容器比较笨重,且成本较高,材料有所浪费。
随着工化设计朝着大型化,复杂化,高参数化方向发展,压力容器部件越来越多的利用有限元压力分析来完成。新的分析设计主要以塑性失效和弹塑性失效准则为基础,比较详细的计算了容器和承压部件的应力,并利用大型有限元软件ANSYS对压力容器的壁厚及承压进行优化设计分析。
2 典型压力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的压力容器有限元分析
在分析过程中压力容器将空间问题平面化,有限元模型选取PLANE42单元。在ANSYS软件中采用直接建模的方法,省略压力容器的其他结构(如群座、螺栓等),并设定轴对称选项,建立1/4轴对称分析模型如图2-2示。端部封头对称面各节点约束水平向位移,筒体下端各节点约束轴向位移,内壁施加均布荷载P=10Mpa.
2.1.1 对有限元模型施加边界条件并求解
有限元分析的目的是了解模型对外部施加荷载的响应。在本例中,模型受到的荷载有内压,外压,重力以及支撑力,考虑到重力,外压和支撑力相对内压的影响而言作用甚小,可以忽略。因此只对内壁施加线荷载P=10Mpa,接下来进入求解处理器进行求解,获得位移云图及应力云图,如图2-1,2-2示。
图 2-1 工作压力为10 Mpa时的位移云图 图 2-2 工作压力为10 Mpa时的应力云图
图中位移及应力大小分别采用不同的颜色表示,其中红色表示位移及应力的最大值,蓝色是最小值。从图中可以看出位移的最大值出现在筒体下端,为1.2mm;应力的最大值出现在筒体与端部过渡的弧形处,最大值为95.7Mpa。
2.1.2 结果分析
图2-1,2-2反映了筒壁受内压作用后结构模型的位移、应力情况,从图中可以看出:(1)由于受内压作用,筒壁向外膨胀,模型为轴对称图形,所受的压力是均布的,膨胀亦是均匀的,与预期相符;(2)筒壁沿轴向应力分布是不均匀的,应力最大出现在筒体与端部进气管的过渡处。这是因为模型进气管处尺寸发生了较大变化,导致应力集中,所以数值模拟结果是合理的;(3)通过对筒壁进行强度校核表明,当材料采用Q235-A时,压力容器的最大应力值远小于其许用应力(235Mpa),表明筒体的承压空间还是有一定的提高潜势的。
2.2 压力容器承压能力的分析
上述结果中表明该压力容器的承压空间还可以提升,故此对该模型分别施加线荷载P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa,分析其结果变化。图2-3,2-4是模型的最大位移、最大应力值随压力的变化曲线图。
从图中可以看出:(1)位移和应力均随着压力的增加而变大,变化速率由大变小最后趋于平缓;(2)分析位移及应力的变化曲线表明,自开始加载到施加荷载15Mpa,其变化为线性变化,15Mpa到加载至25Mpa时,变化增长缓慢甚至趋于平缓。这与钢材的力学性能有关:钢材从加载到拉断,有四个阶段,即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。从加载到某一定值时曲线呈直线变化是因为钢材处于弹性阶段,再继续加载曲线出现平缓是因为钢材进入屈服阶段,产生塑性变形。所以也可以证明该有限元分析的可靠性;(3)从图中易找出曲线从直线段过渡到平缓段的临界点,即压力15Mpa,此时该模型的最大位移为2.03mm,最大应力值为168Mpa(小于许用应力235Mpa)。
图2-3 不同承压下最大位移值的变化曲线 图2-4 最大应力随承压的变化曲线
2.3 压力容器厚度的优化设计
为了充分提高压力容器的整体性能和材料的有效利用率,基于“塑性失效”和“弹塑性失效”准则,以板壳理论,弹性与塑性理论及有限元方法,根据具体工况,对压力容器各部位进行详细的应力计算及分析,在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数,从而降低结构的厚度,使材料得到有效利用。
上述承压15Mpa时该压力容器的最大位移值为2mm,最大应力值168Mpa小于其许用应力235Mpa,故可以考虑变化筒壁厚度,使材料发挥最大强度。所以在临界承压15Mpa的作用下试将原筒壁厚度25mm变为20mm,21mm,22mm,30mm进行试算。下图2-5、2-6为最大位移值、最大应力值随筒壁厚度的变化曲线。
图2-5 最大位移值随筒壁厚度的变化曲线 图2-6 最大应力值随筒壁厚度的变化曲线
由图可以看出:(1)在临界承压15Mpa下,容器的最大位移值、最大应力值均随着筒壁厚度的增加而减小;(2)从最大应力值与筒体壁厚的变化曲线中可以看出,当壁厚为21mm时其最大应力值为231Mpa小于其许用应力。故此可以认为在临界承压下,该压力容器的最优筒体壁厚为21mm,在此条件材料能发挥较高的强度。
3结语
本文采用ANSYSY软件对压力容器的位移、应力进行了较为详细的分析,同时对压力容器在满足给定刚度和强度条件下进行厚度最小的优化设计。研究计算结果可以发现:
(1)压力容器在受内压时,筒体中间位置变形最大,最大应力则发生在端部进气管与筒体的过渡处;
(2)在该给定容器的条件中,可以得到此容器的最大临界承压为15Mpa,此时的刚度、强度及应力均满足要求;
(3)为了最大发挥材料的用途,在满足给定强度和刚度条件下对该容器进行优化设计,可以得到其最优筒壁厚度为21mm。
同时也可以看出ANSYSY软件对分析压力容器的可靠性,有效性。很大程度上减少了设计成本和设计周期,也为更复杂的结构设计提供了新的方法。
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(1)过滤元件。过滤原件是净化系统的最后屏障,是液压系统污染的关键步骤,是主要的元器件,对环境起到一个保障作用,具有一定的实际应用价值。
(2)液压净化系统简化模型。建立简化的模型必须进行推导,利用数学公式建立逻辑模型,通过逻辑模型建立实际应用模型,模型的建立需要一个严谨的推导过程,液压净化系统简化。
2液压净化系统的优化设计
本论文对液压净化系统进行优化选择设计主要从元件级参数设置及系统布局两方面进行阐述,对液压系统进行优化及升级提高环境保护,对机械设备的使用寿命等有一定的延长,提高其工作效率有一定使用价值。
2.1元件级的优化设计
基于以上液压污染动态平衡方程,对过滤元件过滤器进行优化选择,主要从确定过滤时间、过滤比两个方面进行优化选择。
(1)临界时间的确定。临界时间是针对一定污染度油液的独立过滤系统而言,当过滤时间达到,过滤系统的固体颗粒浓度不会随时间的改变而改变,这个时间就称为临界时间。临界时间对元件级的优化设计有一定的帮助,是对整个元件的优化设计有一定指导作用,对元件级的优化设计能顺利进行提供有力保障。
(2)基于Matlab的过滤比的优化选择。通过Matlab的过滤比进行优化选择,对液压系统产生的标准污染油液进行过滤比较。
2.2系统级优化与设计
根据液压系统目标污染度的要求,适当选择过滤管路及过滤器过滤精度,用于滤除系统自身形成的污染和外部侵入的污染,使油液的污染度控制在组件能耐受的污染限度之内。
(1)液压净化系统的布局。液压净化系统在实际使用过程中必须进行合理化地布局,布局采用多种方式,有时候多种方式进行合理布局,可提高过滤效果,增大系统的纳污量,减少清洗次数及延长液压系统的寿命。
(2)不同组合方式的过滤效果。通过实验进行验证,应用一种过滤方式过滤效果一般,通过多种形式与方式进行过滤能产生不同的效果,在工业实际生产过程中,经常选用多种组合方式进行过滤,其过滤效果是非常理想的,应用各种过滤方式的优势,达到一定效果。
3基于HyPneu的仿真验证
现用实例验证优化结果,将NAS1638的9级油转化成6级油的优化验证。总之,通过优化后的仿真模型具有一定改变,对液压系统的环境改善有一定帮助,对机械器件的使用具有一定的现实应用价值,液压系统污染性能仿真与优化设计是非常必要的,对液压系统、对环境的保护及机械元器件的使用寿命有一定的现实意义,为今后的液压系统改良具有一定指导意义。
对于机械专业的本科生、研究生而言,所有机械设计类课程都具有相当重要的理论价值,可以提高学生的理论素养。但是这类课程在教学和学习过程中往往比较枯燥,且具有一定的难度,如果纯粹按照严谨的理论体系进行教学,学生容易失去学习的兴趣和动力,甚至觉得所学的知识一无所用。所以迫切需要教师在教学过程中,灌输教学内容的理论意义、价值与应用,要做到这一点,最好的也是最自然的方式就是将教师的课题引入到教学过程中来。机械专业教师所研究的课题,无论是纵向或横向课题,在其所用的研究理论、研究方法和研究手段上,必定都存在与机械设计类课程非常贴切的内容,需要应用机械设计系列课程的理论和方法去解决。例如在解决某型号转塔冲床在加工过程中的振动和噪声问题,就要了解机床的结构设计特点及工作原理,需要涉及机械设计与机械原理等课程的内容;要对机床的振动与噪声进行实际测量,需要掌握机械振动、机械测试与分析等课程有关的知识;为了对机床进行减振降噪,可以在有限元分析、优化设计等课程中提出解决这一问题的方法与思路。总体而言,任何一个课题的研究,尤其是横向课题,都有很多可以在教学过程中值得与学生分析与探讨的内容,可以让学生了解所学知识的重要性和工程应用价值。
二、在研究方案制定过程中培养学生的研发能力
目前针对工科专业的研究性教学而言,以“项目和课题研究为导向”的教学方式非常贴切现行教学改革的要求和趋势。该教学模式可以将学习、研究、实践有机地结合起来,充分发挥学生的主体作用,使学生能创造性地运用所学的知识和能力,通过自己的主动探索、主动思考、主动实践,自主地发现问题、研究问题和解决问题。首先,教师在讲课内容中要增加具体的工程实例,同时注重引导学生注意身边的工程问题,鼓励学生参与提炼工程主题,并将工程主题与教学重点内容结合起来。在进行项目研究方案的制订与讨论过程中,可以先介绍课题的来源、背景、研究需求和研究目标,让学生以分组的形式去查资料,阅读查文献,了解目前的研究现状及研究方法,制定课题的研究方案,引导学生展开课堂讨论,并根据所学的知识提出解决问题的方法,这样可以将抽象的理论与具体的工程背景结合,使抽象的工程问题变得丰满有趣,从而强化学生的工程概念与背景。然后,将学生带到企业,进入生产现场和使用现场,获得对所研究课题的感性认识,掌握和了解课题实际存在的问题,形成教学与实际结合起来的课外教学方式,通过学生亲身实践、工程技术人员的介绍以及教师的深入分析,使学生对研究的内容和课题有较为深刻的理解,便于制定更为具体和合理的研究计划。例如在对某型号的路灯灯杆进行强度与可靠性研究时,可以运用力学知识进行理论计算,再进行实际测量,最后进行优化设计,这一过程几乎会涉及到机械设计类的所有课程。
三、在项目实施过程中锻炼学生的实践能力
对于工科的本科生和研究生而言,我们现在的人才培养非常重视专业知识的学习,毕业后学生可以掌握本专业系统的理论知识和一定的实践能力。但很多毕业生在进入工作岗位后,往往还需要2~5年时间的重新学习与培训,才能具备较好的工程素养,也才能独立解决工程实际问题,从而造成企业人力与财力的浪费,使得企业在招聘人才时,首先考虑的不是学生的文凭和学习成绩,而是工作经历和工作经验。近几年本科教学大纲经历了至少两次修订,修订过程中已经注意到这个问题,并且正在进行较大幅度的改革,其主要做法是加大实践性教学环节的比重,实行企业与学校的联合培养模式,其目标就是在工程应用、生产实际中培养学生独立思考与解决问题的能力。如果能够让学生参与到教师与企业合作的课题中来,在项目研究与实施的过程中,让学生将学到的知识应用于解决具体的工程问题,就可以实现新大纲修订的宗旨,满足新大纲的要求。横向课题是企业在生产过程中或客户在使用过程中发现和提出来的技术难题,往往具有一定的难度,课题的研究也是一项系统工程,其研究成果可以直接提升产品质量,产生明显的社会和经济效益。所以首先需要对研究的对象进行全面的了解、分析、调研与查阅资料,包括设备的结构、功能、使用方法、产品质量的评估等,这方面的研究可以培养学生画图、识图、查阅文献的能力。确定了详细的研究方案之后,就要进行课题的研究,该研究过程往往历时几个月,甚至一年以上。在此研究过程中,学生需要参与大量的研究工作,可以在教师的指导下将学到的系统知识应用于理论计算,通过对理论知识的复习和应用,了解理论研究的价值,加深对理论知识的理解;学生还可以从事实验分析和实际测试,不但可以在实验室对试样进行试验,进一步熟悉实验室仪器与设备的使用方法和技巧,还可以到车间进行实际测量,掌握现代测试仪器的操作和使用,并在试验和测试完成后,进行数据的处理工作;在试验研究的基础上,培养学生利用先进的计算机仿真手段进行优化设计,通过学习先进的三维设计软件、有限元计算软件等进行结构的改进设计研究工作,并将计算结果与实验结果进行对比,及时了解优化设计的效果,从而达到研究的目的。让学生深度参与课题的研究过程,一方面可以使学生获得较为全面、系统的学习与训练。对机械专业学生而言,可以对实验应力分析、有限元分析、机械振动、机械结构的测试分析以及优化设计等现代设计类的重要课程和知识点有非常深刻的了解;另一方面还可以对企业的产品、要求、技术、研发甚至市场都有比较全面的接触。这样对毕业生就业而言,所提供的参与这些企业课题研发的经历,对企业来说无疑具有极大的吸引力。最为关键的是,这些学生一旦进入相关行业,马上可以发挥很大的作用,能够独当一面解决企业面临的具体工程问题。
四、在项目成果的总结中提高学生的综合能力
学生通过参与科研项目的研究过程,可以了解企业的技术改进与研发过程,可以应用到所学的很多知识,也可以掌握很多新的思想、理念、方法和研究手段,可以培养动手能力和创新意识,但更为重要的是还需要通过对项目的总结来进一步提升他们的综合能力和素质。项目研究过程还包括对研究结果的总结,尤其是需要对照预期的研究指标进行分析与汇总,形成一系列的研究成果。这一过程可以提供学生撰写总结报告、学术论文与专利的机会。相对于知识的学习和动手能力的培养,我们目前对这种能力的要求不是很高,甚至不作要求,一般总是认为本科生没有能力独立撰写和发表学术论文。但实际上对很多学生来说,只要阅读过一定数量的科技文献,再经过一定的指导和锻炼,加上教师的认真修改,本科生完全可以发表学术论文,甚至是质量较高的国际论文。相对于较为专业的学术论文而言,撰写专利,尤其是实用新型专利或外观设计专利,相对来说比较容易,只要鼓励学生善于观察、敢于思考、勇于创新,再加上一定的指导,应该可以完成专利的授权,这一点对将来学生在企业工作非常有利。目前所有大学都越来越重视大学生的第二课堂,对工科学校来说这是培养“卓越工程师”的主阵地,也是培养大学生创新意识和动手能力的主课堂,对拓展学生的综合素质起到非常重要的作用。学生可以从参与的课题中提炼新的内容,作为大学生课外科技活动项目,也可以将研究成果进行整理,参加各项科技竞赛活动,如“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛、机械设计创新大赛等。通过竞赛调动学生的主动性、积极性、创造性,激发学生的潜能,展示学生的才能。
五、结语
总之,让学生参加教师的项目与课题,提供他们走进企业的机会,参加工程项目的测试、分析与优化等综合性的研究工作,可以增强学生的工程概念与意识,提高与锻炼学生解决工程实际问题的能力,最终提高学生的社会适应性,成为合格的卓越工程师。
【摘要】减速器是各类机械设备中广泛应用的传动装置。减速器设计的优劣直接影响机械设备的传动性能。本文通过对两种减速器主要优化设计方法的分析,提出了减速器设计中应考虑的约束条件、目标函数和变量等。
【关键词】减速器优化设计
传统的减速器设计一般通过反复的试凑、校核确定设计方案,虽然也能获得满足给定条件的设计效果,但一般不是最佳的。为了使减速器发挥最佳性能,必须对减速器进行优化设计,减速器的优化设计可以在不同的优化目标下进行。除了一些极为特殊的场合外,通常可以分为从结构形式上追求最小的体积(重量)、从使用性能方面追求最大的承载能力、从经济效益角度考虑追求最低费用等三大类目标。第一类目标与第二类目标体现着减速器设计中的一对矛盾,即体积(重量)与承载能力的矛盾。在一定体积下,减速器的承载能力是有限的;在承载能力一定时,减速器体积(重量)的减小是有限的。由此看来,这两类目标所体现的本质是一样的。只是前一类把一定的承载能力作为设计条件,把体积(重量)作为优化目标;后一类反之,把一定的体积(重量)作为设计条件,把承载能力作为优化目标。第三类目标的实现,将涉及相当多的因素,除减速器设计方案的合理性外,还取决于企业的劳动组织、管理水平、设备构成、人员素质和材料价格等因素。但对于设计人员而言,该目标最终还是归结为第一类或第二类目标,即减小减速器的体积或增大其承载能力。
一、单级圆柱齿轮减速器的优化设计
单级主减速器可由一对圆锥齿轮、一对圆柱齿轮或由蜗轮蜗杆组成,具有结构简单、质量小、成本低、使用简单等优点。但是其主传动比i0不能太大,一般i0≤7,进一步提高i0将增大从动齿轮直径,从而减小离地间隙,且使从动齿轮热处理困难。单级主减速器广泛应用于轿车和轻、中型货车的驱动桥中。单级圆柱齿轮减速器以体积最小为优化目标的优化设计问题,是一个具有16个不等式约束的6维优化问题,其数学模型可简记为:
minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6
S.t.gj(x)≤0(j=1,2,3∧,16)
采用优化设计方法后,在满足强度要求的前提下,减速器的尺寸大大地降低,减少了用材及成本,提高了设计效率和质量。优化设计法与传统设计密切相关,优化设计是以传统设计为基础,沿用了传统设计中积累的大量资料,同时考虑了传统设计所涉及的有关因素。优化设计虽然弥补了传统设计的某些不足,但该设计法仍有其局限性,因此可在优化设计中引入可靠性技术、模糊技术,形成可靠性优化设计或模糊可靠性优化设计等现代设计法,使工程设计技术由“硬”向“软”发展。
二、混凝土搅拌运输车减速器的优化设计
1.主要参数
混凝土搅拌运输车搅拌筒(罐)的设计容积为8~10m3,最大安装角度12°,工作转速2~4r/min和10~12r/min(卸料时的反向转速);减速器设计传动比131∶1,最大输出转矩60kN·m,要求传动效率高、密封性好、噪声低、互换性强。2.2结构设计主要包括前盖组件、被动轮组件、第一级行星轮总成、第二级行星轮总成、机体中部组件和法兰盘组件6大部分。机体间采用螺栓和销钉连接与定位,机体与内齿圈之间采用弹性套销的均载机构。为便于用户在使用时装配与拆卸,减速器主轴线与安装面设计有15°的倾角,法兰盘轴线可以向X、Y和Z方向摆动±6°,并选用专用球面轴承作为支承。轴承装入行星轮中,弹簧挡圈装在轴承外侧且轴向间隙≤0.2mm,减速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm,总质量(不含油)为290kg。
2.传动系统设计
该减速器采用3级减速方案:第一级为高速圆柱齿轮传动,其余两级为NGW型行星齿轮传动。其中,第二、三级分别有3个和4个中空式行星轮,行星轮安装在单臂式行星架上,行星架浮动且采用滚动轴承作为支承;第二级行星架与法兰盘之间采用鼓形齿双联齿轮联轴器连接,混凝土搅拌运输车减速器对齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度和齿面磨损等要求十分苛刻,因此合理地选择变位系数和进行修形计算十分重要。
三、减速器优化设计的数学模型
1.目标函数
对于C型问题,目标函数是A=min{f(x)}=min{f(x1,x2,…,xn)}式中:A——减速器总中心距,即各级中心距之和;x——各设计变量(包括各级中心距、模数、螺旋角、齿数、齿宽和变位系数等);n——设计变量的个数。对于P型问题,目标函数是P=max{f(x)}=max{f(x1,x2,…,xn)}。式中:P——减速器的许可承载功率;x——同C型;n——同C型。
2.约束条件
约束条件是判断目标函数中设计变量的取值是否可行的一些规定,因此减速器优化设计过程中提出的每一个供选择的设计方案;都应当由满足全部约束条件的优化变量所构成。对于减速器来说,在列出优化设计的约束条件时,应当从各个方面细致周全的予以考虑。例如,设计变量本身的取值规则,齿轮与其它零件之间应有的关系等等。减速器优化设计应考虑以下约束条件:
(1)设计变量取值的离散性约束
齿数:每个齿轮的齿数应当是整数;模数:齿轮模数应符合标准模数系列(GB1357-78);中心距:为避免制造和维护中的各种麻烦,中心距以10mm为单位步长。
(2)设计变量取值的上下界约束
螺旋角:对直齿轮为零,斜齿轮按工程上的使用范围取8°~15°;总变位系数:由于总变位系数将影响齿轮的承载能力,常取为0~0.8。
(3)齿轮的强度约束
齿轮强度约束是指齿轮的齿面接触疲劳强度与轮齿的弯曲疲劳强度,这两项计算根据国家标准GB3480-83中的方法进行。强度是否够,根据实际安全系数是否达到或超出预定的安全系数进行检验。
(4)齿轮的根切约束
为避免发生根切,规定最小齿数,直齿轮为17,斜齿轮为14~16。
(5)零件的干涉约束
要求中心距、齿顶圆和轴径这三者之间满足无干涉的几何关系。对于三级传动的减速器(如图1),干涉约束相当于两个约束:第二级中心距应大于第一级大齿轮齿顶圆半径与第三级小齿轮顶圆半径之和;第三级中心距应大于第二级大齿轮顶圆半径与第4轴半径之和。而二级齿轮传动类推。
四、结语