專利名稱:一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法
技術領域:
本發(fā)明屬于重型、超重型制造裝備承載件優(yōu)化設計方法,特別涉及一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法。
背景技術:
當前低碳環(huán)保的高效生產(chǎn)方式促使人們在重型、超重型制造裝備的開發(fā)過程中對于如何更好地實現(xiàn)“低碳轉身”這一難題不斷做出深入思考,而這一思考恰恰生動地反映出人們在對于諸如數(shù)控機床支撐件等關鍵結構的綜合性能要求上,由以往變形意義下的“高剛度層面”向未來低碳意義下的“高剛比層面”的深刻轉變。在現(xiàn)有的重型、超重型制造裝備承載結構的設計過程中,大多采用傳統(tǒng)筋板布置形式,主要集中在井字形、米字型等或者以上形式的組合,設計形式過于單一,無法獲得具有高比剛度的設計方案。與此同時,現(xiàn)有筋板布局設計方法主要依賴于經(jīng)典力學以及設計人員經(jīng)驗,通過反復修改以獲得最終方案,整個設計過程無法實現(xiàn)智能化與自動化,導致設計效率低下,無法滿足現(xiàn)代大型復雜裝備的設計要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法。為達到上述目的,本發(fā)明采用了以下技術方案:一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法,通過建立承載構型的自適應創(chuàng)成準則,將筋板布局設計問題轉化為支撐件筋板在特定承載面上的投影構型的自適應創(chuàng)成問題,包含以下步驟:( I)擬三維創(chuàng)成空間模型構建在不影響結構功能和設計要求下,將機床支撐件結構簡化為內(nèi)部筋板與外圍壁板的組合體。為了提高設計模型的數(shù)值適應性,將上述組合體進一步抽象為由殼單元與虛擬彈簧單元(Matrix27單元)組成的擬三維創(chuàng)成空間模型,其中殼單元用來模擬機床支撐件的外圍壁板而虛擬彈簧單元則用來模擬機床支撐件的內(nèi)部筋板。根據(jù)機床支撐件的承載關系,選定其中一個外圍壁板作為承載面,并將承載面設定為內(nèi)部筋板投影構型的創(chuàng)成空間。在承載面上相鄰殼單元節(jié)點之間添加與殼單元節(jié)點相互耦合的梁單元(假設梁單元橫截面為矩形截面,截面寬:b,截面高:h)。(2)承載面上筋板投影構型的自適應創(chuàng)成基于機床支撐件的有限元擬三維創(chuàng)成空間模型的構建,將支撐件內(nèi)部筋板布局形態(tài)的優(yōu)化問題轉為其在承載面投影構型的創(chuàng)成問題,具體反映為以承載面上梁單元截面高度h為設計變量的優(yōu)化過程。通過優(yōu)化改變設計變量的值,實施梁單元增長過程中的分叉與退化操作,實現(xiàn)承載面投影構型的最優(yōu)創(chuàng)成。由于截面高度h是唯一決定梁單元重量的幾何尺寸,則自適應創(chuàng)成過程的實質(zhì)為材料(重量)的最優(yōu)分配,其整個優(yōu)化過程的數(shù)學模型如下:設計變量=W=DV1,W2,…,Wn]目標函數(shù):總應變能最小Minf(W)約束條件:Wsum彡W。W:: > Wi > W: J = \’2….,N其中,f (W)是支撐件結構模型的總應變能,Wsum是支撐件結構模型的總質(zhì)量,W0是預先給定的支撐件結構模型質(zhì)量上限,Wi是第i個設計變量,N是設計變量的個數(shù),表示
上限值,忙表示W(wǎng)i的下限值。其具體步驟如下:1)依據(jù)機床支撐件的實際安裝約束和受載情況,對構建的擬三維創(chuàng)成空間模型施加邊界約束以及載荷。2)定義求解類型為結構靜力學分析,求解初始化模型,設定分析的顯示結果為等效應力,計算結構變形的總應變能。3)存儲設計變量參數(shù)h和結構變形總應變能的值。4)設定結構自適應智能優(yōu)化的約束參數(shù)\,即整個結構材料總重量的上限。設定結構優(yōu)化過程中每次循環(huán)迭代給定的材料增量AW。設定競爭梁單元的分叉閾值hb以及退化閾值hd。5)選取承載面上初始應變能相對較高的若干點為創(chuàng)成起始點。選定的點被包含在創(chuàng)成點集合{B}中,創(chuàng)成點四周可增長的梁單元包含于準備競爭增長的梁單元(競爭梁單兀)集合{C}中。6)每一次循環(huán)迭代,集合{C}中參與競爭的各個梁單元的重量按照相應的廣義靈敏度D值正比分配材料增量Λ W,實現(xiàn)材料的最優(yōu)分配。各競爭梁單元增長后的重量迭代計算準則如下:
權利要求
1.一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法,其特征在于包含下述具體步驟: 1)擬三維創(chuàng)成空間模型構建 將機床支撐件結構簡化為內(nèi)部筋板與外圍壁板的組合體,將組合體進一步抽象為由殼單元與虛擬彈簧單元組成的擬三維創(chuàng)成空間模型,其中殼單元用來模擬機床支撐件的外圍壁板而虛擬彈簧單元則用來模擬機床支撐件的內(nèi)部筋板,根據(jù)機床支撐件的承載關系,選定其中一個外圍壁板作為承載面,并將承載面設定為內(nèi)部筋板投影構型的創(chuàng)成空間,在承載面上相鄰殼單元節(jié)點之間添加與殼單元節(jié)點相互耦合的梁單元; 2)承載面上筋板投影構型的自適應創(chuàng)成 以承載面上梁單元截面高度h為設計變量進行優(yōu)化,通過優(yōu)化改變設計變量的值,實施梁單元增長過程中的分叉與退化操作,實現(xiàn)承載面投影構型的最優(yōu)創(chuàng)成,由于截面高度h是唯一決定梁單元重量的幾何尺寸,則自適應創(chuàng)成過程的實質(zhì)為材料的最優(yōu)分配,整個優(yōu)化過程的數(shù)學模型如下: 設計變量:W= [W1, W2,…,Wn] 目標函數(shù):總應變能最小Minf(W) 約束條件Wsum≤ W0Wtu > Wi > WLi,i = 1,2,…,N 其中,W)是支撐件結構模型的總應變能,Wsum是支撐件結構模型的總質(zhì)量,W0是預先給定的支撐件結構模型質(zhì)量上限,Wi是第i個設計變量,N是設計變量的個數(shù),Mui表示W(wǎng)i的上限值,WLi表示W(wǎng)i的下限值; 3)機床支撐件筋板布局的后處理 經(jīng)過步驟2)后,去除擬三維創(chuàng)成空間模型的虛擬彈簧單元,將承載面上的最優(yōu)投影構型沿某一方向做拉伸處理,獲得機床支撐件內(nèi)部筋板的結構布局。
2.根據(jù)權利要求1所述一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法,其特征在于:所述承載面上筋板投影構型的自適應創(chuàng)成,具體步驟如下: 1)依據(jù)機床支撐件的實際安裝約束和受載情況,對構建的擬三維創(chuàng)成空間模型施加邊界約束以及載荷; 2)定義求解類型為結構靜力學分析,求解初始化模型,設定分析的顯示結果為等效應力,計算結構變形的總應變能; 3)存儲設計變量參數(shù)h和結構變形總應變能的值; 4)設定結構自適應智能優(yōu)化的約束參數(shù)\,設定結構優(yōu)化過程中每次循環(huán)迭代給定的材料增量△ W,設定競爭梁單元的分叉閾值hb以及退化閾值hd ; .5 )選取承載面上初始應變能相對較高的若干點為創(chuàng)成起始點,選定的點被包含在創(chuàng)成點集合{B}中,創(chuàng)成點四周可增長的梁單元包含于準備競爭增長的梁單元集合{C}中; 6)每一次循環(huán)迭代,集合{C}中參與競爭的各個梁單元的重量按照相應的廣義靈敏度D值正比分配材料增量ΔW,實現(xiàn)材料的最優(yōu)分配,各競爭梁單元增長后的重量迭代計算準則如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向高比剛度的機床支撐件筋板布局智能化設計方法,具體步驟是前處理構建機床支撐件的擬三維創(chuàng)成空間模型;自適應創(chuàng)成獲得機床支撐件內(nèi)部筋板在承載面上投影的最優(yōu)布局;后處理將機床支撐件承載面上的投影構型沿某一指定方向做拉伸處理,從而最終獲得機床支撐件的內(nèi)部筋板布局設計方案。本發(fā)明通過建立承載構型的自適應創(chuàng)成準則,實現(xiàn)了機床支撐件的高比剛度設計,滿足低碳節(jié)材要求,可廣泛用于重型、超重型制造裝備承載構型的優(yōu)化設計。
文檔編號G06F19/00GK103106337SQ20131000283
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權日2013年1月4日
發(fā)明者李寶童, 洪軍, 邱志惠, 王哲琳, 閆素娜, 張 浩 申請人:西安交通大學