复杂机械产品性能薄弱模块的识别与优化.doc

复杂机械产品性能薄弱模块的识别与优化
 摘　要:本文应用混合建模法对整体框架式液压机性能薄弱模块进行识别,并在此基础上对其进行结构优化,提高了液压机机身的设计精度和刚度;同时验证了混合建模法计算简单,效率高,精度高,尤其适合子功能的载体难于构成独立结构实体的复杂机械产品,是一种有效的性能模块识别方法;并为复杂机械产品的创新设计提供了设计方法和理论指导,具有重要的指导意义和实用价值。
关键词:混合建模;复杂机械产品;识别;优化
1　混合建模技术的提出用有限元法对模块化产品进行分析时,除了了解整机的刚度外,设计时往往需要了解各个模块的变形对总体变形贡献的大小。传统的做法是采用单模块法建模(SimpleModuleModel),即把整机的各个模块分解出来,将整机的载荷转换成等效载荷,分别施加到各个模块上,再单独施加边界条件。需要反复处理多个边界条件才能分别计算出各模块的变形或刚度。虽然每个模块的建模相对简单,但是这种方法却存在着弊端:首先,必须进行载荷转换,才能在各模块上加载, 容易出现局部变形和应力集中;其次,各模块边界条件的模拟能否同整机边界条件一致很难保证;此外,因各模块的边界条件不同使他们失去相互比较的共同基础,很难获悉它对整机刚度的影响。
针对单模块建模方法的不足, David Te- YenHuang等提出了混合建模方法,并把它应用于数控机床静刚度分析。如果在整机的有限元模型中忽略除所需计算模块以外的其它模块的变形,即把其它模块视为刚体,只要建一个完整的整机模型和施加一次边界条件,就能够计算出指定模块的变形,这就是混合有限元建模的基本思想。研究结果表明,混合建模方法比通常的单模块建模方法具有更高的效率和更高的精度。在混合有限元模型中,通过改变物体弹性模量以控制物体变形大小。由材料力学可知,物体的弹性变形与弹性模量成反比,当弹性模量趋于无穷大时,物体的弹性变形将变得很小,可以忽略。因此,可通过改变物体弹性模量的方法来控制有限元模型中物体变形的大小。若弹性模量系数α为刚体弹性模量与真实弹性模量数值之比, 对于一般情况,当弹性模量系数α≥100时,即比真实值大两个数量级时,就可以满足静刚度计算精度的要求;当弹性模量系数α≥1 000时, 即比真实值大三个数量级时,就可以满足固有频率计算精度的要求。
2　复杂机械产品性能薄弱模块的识别
2·1　复杂机械产品的分类与模块划分机械产品可以看成是由若干组零件、部件按照一定的规律和结构形式组成的具有一定功能的系统,根据机械产品结构特点,可将机械产品分为以下三种类型:
(1)产品规格和变型结构系列化特性明显。这类产品一般具有较为固定的结构形式,产品功能和结构易于分解,且结构主参数的分级特性较为明显,因而易于进行模块的划分和产品系列规划。例如数控机床产品,通常由床身、立柱、主轴箱等主要部件,以及若干独立的功能部件,如导轨副、丝杠副、防护装置等组成。对应不同尺寸范围工件加工的需求,可以以主轴直径或工作台尺寸为主参数对产品进行系列规划。
(2)产品结构无明显的系列化分级特性。这类产品的结构主参数主要由载荷和使用工况决定,产品功能和结构易于分解,但产品规格难于进行系列化分级,功能部件的通用性不强。这类产品一般以单件、小批量方式设计和制造,如组合框架式液压机、水力发电机等大型机械产品。从功能和结构分解的角度考虑, 组合框架式液压机机身可以看成由上梁、下梁以及立柱等主要部件组成,产品规划可以以部件为单位进行。
(3)产品结构复杂,整体性强。这类产品往往由复杂的结构部分组成,可通过功能分解将总功能分为若干独立的子功能,但子功能的载体难于构成独立的结构实体。例如整体框架式液压机机身,汽车覆盖件模具等。对于整体框架式液压机机身,它实际上是一个大部件,对照组合框架式液压机结构,从功能独立的角度也将其看成是由上梁、下梁和立柱组成。虽然上述三个组成部分不存在独立的结构实体,为设计方便,其产品规划仍以这三部分为单位进行。为计算出各组成模块的变形,首先要对复杂机械产品进行模块划分。对于上述第一类、第二类机械产品,由于产品功能和结构易于分解成结构独立的实体模块,混合建模时,通常以功能部件模块为单位计算各指定模块的变形;而对于第三类产品,子功能的载体难于从整机中分离出来构成独立的结构实体模块,无法使用单模块法计算各模块的变形。混合建模时,为计算方便,根据广义模块化设计原理,将其视为虚拟柔性模块,以虚拟柔性模块为单位依次计算各组成模块的变形。
2·2　复杂机械产品性能薄弱模块的识别下面以THP61-1000A型整体框架式液压机为例来说明复杂机械产品性能薄弱模块的识别方法。对于整体框架式液压机,其机身是一个结构不可再分的部件,无法从整机中分解出各个实体模块施加等效载荷,因此无法应用传统的单模块法分析。为计算和结构设计方便,对照组合框架式液压机结构,按照功能结构映射原理,将其划分为上梁、立柱和下梁三大虚拟柔性模块,因此,混合建模以整个机身为对象来研究其刚度和强度的变化及分布规律。