復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品性能薄弱模塊的識(shí)別與優(yōu)化

1、復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品性能薄弱模塊的識(shí)別與優(yōu)化摘要:本文應(yīng)用混合建模法對(duì)整體框架式液壓機(jī)性能薄弱模塊進(jìn)行識(shí)別并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高了液壓機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)精度和剛度同時(shí)驗(yàn)證了混合建模法計(jì)算簡(jiǎn)單效率高精度高尤其適合子功能的載體難于構(gòu)成獨(dú)立結(jié)構(gòu)實(shí)體的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品是一種有效的性能模塊識(shí)別方法并為復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)方法和理論指導(dǎo)具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:混合建模復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品識(shí)別優(yōu)化1混合建模技術(shù)的提出用有限元法對(duì)模塊化產(chǎn)品進(jìn)

2、行分析時(shí)除了了解整機(jī)的剛度外設(shè)計(jì)時(shí)往往需要了解各個(gè)模塊的變形對(duì)總體變形貢獻(xiàn)的大小。傳統(tǒng)的做法是采用單模塊法建模(SimpleModuleModel)即把整機(jī)的各個(gè)模塊分解出來(lái)將整機(jī)的載荷轉(zhuǎn)換成等效載荷分別施加到各個(gè)模塊上再單獨(dú)施加邊界條件。需要反復(fù)處理多個(gè)邊界條件才能分別計(jì)算出各模塊的變形或剛度。雖然每個(gè)模塊的建模相對(duì)簡(jiǎn)單但是這種方法卻存在著弊端:首先必須進(jìn)行載荷轉(zhuǎn)換才能在各模塊上加載容易出現(xiàn)局部變形和應(yīng)力集中其次各模塊邊界條件的模擬能

3、否同整機(jī)邊界條件一致很難保證此外因各模塊的邊界條件不同使他們失去相互比較的共同基礎(chǔ)很難獲悉它對(duì)整機(jī)剛度的影響。針對(duì)單模塊建模方法的不足DavidTeYenHuang等提出了混合建模方法并把它應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床靜剛度分析。如果在整機(jī)的有限元模型中忽略除所需計(jì)算模塊以外的其它模塊的變形即把其它模塊視為剛體只要建一個(gè)完整的整機(jī)模型和施加一次邊界條件就能夠計(jì)算出指定模塊的變形這就是混合有限元建模的基本思想。研究結(jié)果表明混合建模方法比通常的單模塊建模

4、方法具有更高的效率和更高的精度。在混合有限元模型中通過(guò)改變物體彈性模量以控制物體變形大小。由材料力學(xué)可知物體的彈性變形與彈性模量成反比當(dāng)彈性模量趨于無(wú)窮大時(shí)物體的彈性變形將變得很小可以忽略。因此可通過(guò)改變物體彈性模量的方法來(lái)控制有限元模型中物體變形的大小。若彈性模量系數(shù)α為剛體彈性模量與真實(shí)彈性模量數(shù)值之比對(duì)于一般情況當(dāng)彈性模量系數(shù)α≥100時(shí)即比真實(shí)值大兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)就可以滿足靜剛度計(jì)算精度的要求當(dāng)彈性模量系數(shù)α≥1000時(shí)即比真實(shí)值大

5、三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)就可以滿足固有頻率計(jì)算精度的要求。2復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品性能薄弱模塊的識(shí)別21復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的分類與模塊劃分機(jī)械產(chǎn)品可以看成是由若干組零件、部件按照一定的規(guī)律和結(jié)構(gòu)形式組成的具有一定功能的系統(tǒng)根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可將機(jī)械產(chǎn)品分為以下三種類型:(1)產(chǎn)品規(guī)格和變型結(jié)構(gòu)系列化特性明顯。這類產(chǎn)品一般具有較為固定的結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)易于分解且結(jié)構(gòu)主參數(shù)的分級(jí)特性較為明顯因而易于進(jìn)行模塊的劃分和產(chǎn)品系列規(guī)劃。例如數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品通常由床身、立柱

6、、主軸箱等主要部件以及若干獨(dú)立的功能部件如導(dǎo)軌副、絲杠副、防護(hù)裝置等組成。對(duì)應(yīng)不同尺寸范圍工件加工的需求可以以主軸直徑或工作臺(tái)尺寸為主參數(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行系列規(guī)劃。(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的系列化分級(jí)特性。這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)主參數(shù)主要由載荷和使用工況決定產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)易于分解但產(chǎn)品規(guī)格難于進(jìn)行系列化分級(jí)功能部件的通用性不強(qiáng)。這類產(chǎn)品一般以單件、小批量方式設(shè)計(jì)和制造如組合框架式液壓機(jī)、水力發(fā)電機(jī)等大型機(jī)械產(chǎn)品。從功能和結(jié)構(gòu)分解的角度考慮組合框架式液壓機(jī)

7、機(jī)身可以看成由上梁、下梁以及立柱等主要部件組成產(chǎn)品規(guī)劃可以以部件為單位進(jìn)行。(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜整體性強(qiáng)。這類產(chǎn)品往往由復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部分組成可通過(guò)功能分解將總功能分為若干獨(dú)立的子功能但子功能的載體難于構(gòu)成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)實(shí)體。例如整體框架式液壓機(jī)機(jī)身汽車覆蓋件模具等。對(duì)于整體框架式液壓機(jī)機(jī)身它實(shí)際上是一個(gè)大部件對(duì)照組合框架式液壓機(jī)結(jié)構(gòu)從功能獨(dú)立的角度也將其看成是由上梁、下梁和立柱組成。雖然上述三個(gè)組成部分不存在獨(dú)立的結(jié)構(gòu)實(shí)體為設(shè)計(jì)方便其產(chǎn)品規(guī)劃仍

8、以這三部分為單位進(jìn)行。為計(jì)算出各組成模塊的變形首先要對(duì)復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行模塊劃分。對(duì)于上述第一類、第二類機(jī)械產(chǎn)品由于產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)易于分解成結(jié)構(gòu)獨(dú)立的實(shí)體模塊混合建模時(shí)通常以功能部件模塊為單位計(jì)算各指定模塊的變形而對(duì)于第三類產(chǎn)品子功能的載體難于從整機(jī)中分離出來(lái)構(gòu)成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)實(shí)體模塊無(wú)法使用單模塊法計(jì)算各模塊的變形?；旌辖r(shí)為計(jì)算方便根據(jù)廣義模塊化設(shè)計(jì)原理將其視為虛擬柔性模塊以虛擬柔性模塊為單位依次計(jì)算各組成模塊的變形。22復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品性