1、復雜機械產品性能薄弱模塊的識別與優(yōu)化摘要:本文應用混合建模法對整體框架式液壓機性能薄弱模塊進行識別并在此基礎上對其進行結構優(yōu)化提高了液壓機機身的設計精度和剛度同時驗證了混合建模法計算簡單效率高精度高尤其適合子功能的載體難于構成獨立結構實體的復雜機械產品是一種有效的性能模塊識別方法并為復雜機械產品的創(chuàng)新設計提供了設計方法和理論指導具有重要的指導意義和實用價值。關鍵詞:混合建模復雜機械產品識別優(yōu)化1混合建模技術的提出用有限元法對模塊化產品進

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

3、否同整機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很難獲悉它對整機剛度的影響。針對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用于數(shù)控機床靜剛度分析。如果在整機的有限元模型中忽略除所需計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完整的整機模型和施加一次邊界條件就能夠計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改變物體彈性模量以控制物體變形大小。由材料力學可知物體的彈性變形與彈性模量成反比當彈性模量趨于無窮大時物體的彈性變形將變得很小可以忽略。因此可通過改變物體彈性模量的方法來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彈性模量數(shù)值之比對于一般情況當彈性模量系數(shù)α≥100時即比真實值大兩個數(shù)量級時就可以滿足靜剛度計算精度的要求當彈性模量系數(shù)α≥1000時即比真實值大

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

6、、主軸箱等主要部件以及若干獨立的功能部件如導軌副、絲杠副、防護裝置等組成。對應不同尺寸范圍工件加工的需求可以以主軸直徑或工作臺尺寸為主參數(shù)對產品進行系列規(guī)劃。(2)產品結構無明顯的系列化分級特性。這類產品的結構主參數(shù)主要由載荷和使用工況決定產品功能和結構易于分解但產品規(guī)格難于進行系列化分級功能部件的通用性不強。這類產品一般以單件、小批量方式設計和制造如組合框架式液壓機、水力發(fā)電機等大型機械產品。從功能和結構分解的角度考慮組合框架式液壓機

7、機身可以看成由上梁、下梁以及立柱等主要部件組成產品規(guī)劃可以以部件為單位進行。(3)產品結構復雜整體性強。這類產品往往由復雜的結構部分組成可通過功能分解將總功能分為若干獨立的子功能但子功能的載體難于構成獨立的結構實體。例如整體框架式液壓機機身汽車覆蓋件模具等。對于整體框架式液壓機機身它實際上是一個大部件對照組合框架式液壓機結構從功能獨立的角度也將其看成是由上梁、下梁和立柱組成。雖然上述三個組成部分不存在獨立的結構實體為設計方便其產品規(guī)劃仍

8、以這三部分為單位進行。為計算出各組成模塊的變形首先要對復雜機械產品進行模塊劃分。對于上述第一類、第二類機械產品由于產品功能和結構易于分解成結構獨立的實體模塊混合建模時通常以功能部件模塊為單位計算各指定模塊的變形而對于第三類產品子功能的載體難于從整機中分離出來構成獨立的結構實體模塊無法使用單模塊法計算各模塊的變形?；旌辖r為計算方便根據(jù)廣義模塊化設計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算各組成模塊的變形。22復雜機械產品性