專利名稱：一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精沖壓力機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)的機(jī)身 的優(yōu)化設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
精沖作為一種精密成形技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、摩 托車、儀器儀表、輕工機(jī)械、家用電器和辦公設(shè)備等領(lǐng)域。大型精沖壓力機(jī)是汽車、航空航 天、兵器和高科技領(lǐng)域必備的基礎(chǔ)制造裝備，是為保證經(jīng)濟(jì)和國防安全而必須自主掌握的 重大裝備之一。國內(nèi)在10000KN以上大噸位精沖設(shè)備的研發(fā)方面處于空白狀態(tài)，而國內(nèi)目 前進(jìn)口精沖壓力機(jī)機(jī)最大噸位僅為8800KN，無法制造大型精沖件，由此無法滿足國內(nèi)相關(guān) 領(lǐng)域?qū)Υ笮途珱_件(如汽車發(fā)動機(jī)法蘭、大飛機(jī)剎車片等)制造能力的要求。機(jī)床靜、動態(tài)性能是衡量設(shè)計方案優(yōu)劣的重要的性能指標(biāo)。本機(jī)公稱壓力高達(dá) 10000KN，對于精沖工藝，由于精沖模具的沖裁間隙非常小，因而要求在沖裁過程中滑塊具 有較高的運(yùn)動精度。這就是說，應(yīng)當(dāng)盡可能的避免模具及凸凹模之間在水平及垂直方向上 產(chǎn)生偏離理想垂直運(yùn)動的相對位移。為此，要求精沖壓力機(jī)在垂直方向和水平方向上都具 有很高的剛度。同時，本機(jī)設(shè)計要求每分鐘沖裁30-40次。因此，機(jī)床(或稱機(jī)身)的動態(tài) 性能是成為其整體性能的重要構(gòu)成。確立結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)是評價結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，也 是分析結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動和噪聲的依據(jù)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)計流程中，工程師們往往根據(jù)經(jīng)驗和技術(shù)要求設(shè)計出機(jī)身的大致 形狀，并加工出來，對物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗?？赡軙?dǎo)致質(zhì)量過大、關(guān)鍵部位強(qiáng)度、剛度不夠、 動態(tài)特性差等問題。傳統(tǒng)的設(shè)計流程不但使產(chǎn)品設(shè)計的周期比較長，而且設(shè)計的成本也很 巨大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法，該方 法能保證設(shè)計動態(tài)指標(biāo)、靜態(tài)指標(biāo)的可靠，降低成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī) 身的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于它包括如下步驟1)、精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略設(shè)計根據(jù)粗略設(shè)計要求的公稱壓力、滑塊行程、主沖 程調(diào)整量、閉合高度、最大開啟高度、工作臺板尺寸找到精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略CAD模型；2)、將粗略設(shè)計機(jī)身的底面用四個地腳螺栓固定，上工作臺面、下工作臺面各加 10000KN的載荷；采用有限元分析方法作出粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)變云圖和粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng) 力云圖；然后根據(jù)粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)變云圖和粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)力云圖來判斷步驟1)所 述的粗略CAD模型是否有優(yōu)化空間，如有優(yōu)化空間，則進(jìn)行下一步驟。3)、粗略設(shè)計機(jī)身的剛度、固有頻率的優(yōu)化，優(yōu)化問題定義如下①設(shè)計目標(biāo)機(jī) 身的剛度和一階固有頻率分別最大；②約束條件體積限制為原來的60% ；③設(shè)計變量機(jī)身的空間單元分布；找到剛度、固有頻率的優(yōu)化空間；4)、采用折衷規(guī)劃法對粗略設(shè)計機(jī)身的多目標(biāo)優(yōu)化[即步驟3)的剛度單目標(biāo)、固 有頻率單目標(biāo)的結(jié)合]，找到剛度和固有頻率同時滿足要求的粗略設(shè)計機(jī)身的最佳分布； 采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對粗略設(shè)計機(jī)身作出機(jī)身的單元密度云圖，得到拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身；5)、拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身的尺寸優(yōu)化，根據(jù)制造要求和空間布置需要，對機(jī)身重新建 模；對模型進(jìn)行體積和撓度的靈敏度分析，找出機(jī)身變量的對體積和撓度較大的靈敏度；6)采用自適應(yīng)響應(yīng)面法對步驟幻模型機(jī)身的尺寸優(yōu)化，優(yōu)化問題定義如下①設(shè) 計變量組成機(jī)身的10塊板的板厚變化60mm ；②設(shè)計目標(biāo)體積最小，即質(zhì)量最輕；③約束 條件機(jī)身的撓度小于0. 325mm ；得到優(yōu)化后的精沖壓力機(jī)機(jī)身的模型。本方法運(yùn)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，首先設(shè)計出了滿足精沖工藝空間要求的粗略CAD模 型；然后對粗略設(shè)計機(jī)身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在滿足精沖壓力機(jī)剛度和固有頻率的前提下，得到 機(jī)身的最佳結(jié)構(gòu)分布；最后對機(jī)身進(jìn)行詳細(xì)的建模和尺寸優(yōu)化，使機(jī)身輕量化；從而大大 減少實(shí)物試驗的周期和費(fèi)用。本發(fā)明的有益效果是該方法能保證設(shè)計動態(tài)指標(biāo)、靜態(tài)指標(biāo)的可靠，成本達(dá)到最 低。


圖1是機(jī)身的粗略設(shè)計的模型圖。
圖2是粗略設(shè)計機(jī)身(優(yōu)化前機(jī)身)的應(yīng)變云圖。
圖3是粗略設(shè)計機(jī)身(優(yōu)化前機(jī)身)的應(yīng)力云圖。
圖4是拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖。
圖5是機(jī)身模型圖。
圖6是板厚對機(jī)身體積的靈敏度圖。
圖7是板厚對機(jī)身撓度的靈敏度圖。
圖8是優(yōu)化后的精沖壓力機(jī)機(jī)身的模型圖(圖8與圖5只是尺寸的變化)。
具體實(shí)施例方式為了能更好地對本發(fā)明的優(yōu)化方法進(jìn)行理解，下面通過具體的步驟并結(jié)合附圖進(jìn) 行詳細(xì)地說明一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法，它包括如下步驟1)、精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略設(shè)計根據(jù)粗略設(shè)計要求的公稱壓力、滑塊行程、主沖 程調(diào)整量、閉合高度、最大開啟高度、工作臺板尺寸(見表1)找到精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略 CAD模型(即粗略設(shè)計機(jī)身)；精沖壓力機(jī)機(jī)身的材料為碳素鋼，牌號為Q235-A，機(jī)身結(jié)構(gòu)采用焊接式閉式機(jī)身 結(jié)構(gòu)，機(jī)身長(L) X寬(G) X高(H) = M90mmX 2180mmX 4485mm，上工作臺面至下工作臺面 的距離(HO)為2375mm，主要設(shè)計參數(shù)如下，CAD模型如圖1所示；得到粗略設(shè)計機(jī)身(即優(yōu) 化設(shè)計之前的機(jī)身)，粗略設(shè)計機(jī)身為長方體結(jié)構(gòu)，長方體內(nèi)為空腔，長方體的前后左右面 上均開有長方形的口，所有長方形的口與空腔相連通(所有長方形的口的上端與空腔的上 端位于同一平面上，所有長方形的口的下端與空腔的下端位于同一平面上)，長方體空腔內(nèi)的上表面為上工作臺面，長方體空腔內(nèi)的下表面為下工作臺面。表權(quán)利要求
1. 一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于它包括如下步驟1)、精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略設(shè)計根據(jù)粗略設(shè)計要求的公稱壓力、滑塊行程、主沖程調(diào) 整量、閉合高度、最大開啟高度、工作臺板尺寸找到精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略CAD模型；2)、將粗略設(shè)計機(jī)身的底面用四個地腳螺栓固定，上工作臺面、下工作臺面各加 10000KN的載荷；采用有限元分析方法作出粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)變云圖和粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng) 力云圖；然后根據(jù)粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)變云圖和粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)力云圖來判斷步驟1)所 述的粗略CAD模型是否有優(yōu)化空間，如有優(yōu)化空間，則進(jìn)行下一步驟。3)、粗略設(shè)計機(jī)身的剛度、固有頻率的優(yōu)化，優(yōu)化問題定義如下①設(shè)計目標(biāo)機(jī)身的 剛度和一階固有頻率分別最大；②約束條件體積限制為原來的60% ；③設(shè)計變量機(jī)身的 空間單元分布；找到剛度、固有頻率的優(yōu)化空間；4)、采用折衷規(guī)劃法對粗略設(shè)計機(jī)身的多目標(biāo)優(yōu)化，找到剛度和固有頻率同時滿足要 求的粗略設(shè)計機(jī)身的最佳分布；采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對粗略設(shè)計機(jī)身作出機(jī)身的單元密度 云圖，得到拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身；5)、拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身的尺寸優(yōu)化，根據(jù)制造要求和空間布置需要，對機(jī)身重新建模；對 模型進(jìn)行體積和撓度的靈敏度分析，找出機(jī)身變量的對體積和撓度較大的靈敏度；6)采用自適應(yīng)響應(yīng)面法對步驟幻模型機(jī)身的尺寸優(yōu)化，優(yōu)化問題定義如下①設(shè)計 變量組成機(jī)身的10塊板的板厚變化60mm ；②設(shè)計目標(biāo)體積最小，即質(zhì)量最輕；③約束條 件機(jī)身的撓度小于0. 325mm ；得到優(yōu)化后的精沖壓力機(jī)機(jī)身的模型。
全文摘要
本發(fā)明屬于精沖壓力機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)的機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法。一種輕量化大剛度精沖壓力機(jī)機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于它包括如下步驟1)精沖壓力機(jī)機(jī)身的粗略設(shè)計；2)根據(jù)粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)變云圖和粗略設(shè)計機(jī)身的應(yīng)力云圖來判斷步驟1)所述的粗略CAD模型是否有優(yōu)化空間，如有優(yōu)化空間，則進(jìn)行下一步驟。3)粗略設(shè)計機(jī)身的剛度、固有頻率的優(yōu)化，找到剛度、固有頻率的優(yōu)化空間；4)采用折衷規(guī)劃法對粗略設(shè)計機(jī)身的多目標(biāo)優(yōu)化；5)拓?fù)鋬?yōu)化的機(jī)身的尺寸優(yōu)化；6)采用自適應(yīng)響應(yīng)面法對步驟5)模型機(jī)身的尺寸優(yōu)化，得到優(yōu)化后的精沖壓力機(jī)機(jī)身的模型。該方法能保證設(shè)計動態(tài)指標(biāo)、靜態(tài)指標(biāo)的可靠，成本達(dá)到最低。
文檔編號G06F17/50GK102096748SQ20111006729
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者蘭箭, 華林, 毛華杰, 胡俊偉, 趙玉民 申請人:武漢理工大學(xué)