機(jī)械設(shè)備本體的設(shè)計與分析方法研究

張國智，蘇 婕

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市科學(xué)技術(shù)情報研究所，河南新鄉(xiāng)453002）

機(jī)械設(shè)備本體的設(shè)計與分析方法研究

張國智1，蘇 婕2

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市科學(xué)技術(shù)情報研究所，河南新鄉(xiāng)453002）

研究機(jī)械設(shè)備本體的設(shè)計與分析方法，提出了基于宏微觀的設(shè)計與分析思路。基于此思路以大型液壓機(jī)本體的設(shè)計與分析為工程案例進(jìn)行了分析。首先，進(jìn)行了宏觀分析，建立了其理論模型和基于外點罰函數(shù)法的優(yōu)化模型，并對其進(jìn)行了驗證；然后，進(jìn)行了微觀分析，研究了過渡圓角半徑對其強(qiáng)度和剛度的影響規(guī)律。為機(jī)械設(shè)備本體的高效、準(zhǔn)確的設(shè)計與分析提供了方法和依據(jù)。

機(jī)械設(shè)備本體；宏觀分析；微觀分析；外點罰函數(shù)法；過渡圓角半徑

目前，隨著科技的發(fā)展，人們越來越重視大型設(shè)備的可靠性、輕量化。對于大型液壓機(jī)，國內(nèi)外學(xué)者主要對其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析進(jìn)行了大量的研究［1-5］，但是對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速、準(zhǔn)確設(shè)計方法研究較少，本文基于以上工程背景，針對機(jī)械設(shè)備本體的設(shè)計與分析方法，進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

1 宏微觀的設(shè)計與分析思路

機(jī)械設(shè)備本體結(jié)構(gòu)主要包括閉式框架結(jié)構(gòu)和開式C型結(jié)構(gòu)兩大類。對于機(jī)械設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析基本可分為兩個階段：宏觀粗獷設(shè)計階段和微觀細(xì)節(jié)設(shè)計階段，將理論分析與有限元分析相結(jié)合，并相互驗證，從整體到局部，以增加分析的可靠性和分析效率。對于機(jī)械設(shè)備本體，首先，分析其整體的強(qiáng)度和剛度，從整體進(jìn)行分析和優(yōu)化；然后，分析其局部的設(shè)計細(xì)節(jié)，再對關(guān)鍵細(xì)節(jié)進(jìn)行分析和優(yōu)化。具體設(shè)計與分析思路如圖1所示。

圖1 機(jī)械設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析思路

2 大型液壓機(jī)本體的整體分析與優(yōu)化

閉式結(jié)構(gòu)在大型液壓機(jī)上應(yīng)用得比較多，如圖2（a）所示。該結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度較好。閉式結(jié)構(gòu)可簡化成剛架，如圖2（b）所示，厚度為t，框架的寬和長為l1和l2，橫梁和立柱的慣性矩為I1和I2，材料的彈性模量為E，則橫梁和立柱的抗彎剛度為EI1和EI2，橫梁和立柱的截面高度為h1和h2，框架的許用應(yīng)力和許用剛度為［σ］和［δ］。

2.1 理論模型的建立

（1）閉式結(jié)構(gòu)的彎矩

閉式結(jié)構(gòu)的整體彎矩簡圖如圖2（c）所示。閉式結(jié)構(gòu)的彎矩問題屬于一次超靜定問題，根據(jù)材料力學(xué)中超靜定問題的莫爾積分法和圖乘法進(jìn)行推導(dǎo)，則閉式結(jié)構(gòu)的最大和最小彎矩為

根據(jù)第一強(qiáng)度有

由莫爾積分法得，上橫梁的最大撓度為

圖2 閉式結(jié)構(gòu)液壓機(jī)結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析圖

閉式結(jié)構(gòu)的剛度通常用單位跨度的撓度來衡量，因此

2.2 優(yōu)化模型的建立

假設(shè)閉式結(jié)構(gòu)體積V不變，外形尺寸不變，上橫梁和立柱的橫截面高度是設(shè)計變量，以上橫梁的單位跨度的撓度為設(shè)計目標(biāo)，基于理論解析法建立其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，即求

使得h1、h2滿足

其中h=（h1，h2）T。

應(yīng)用外點罰函數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化，外點罰函數(shù)形式為

外點罰函數(shù)法的懲罰因子按下式遞增

其中c為遞增系數(shù)，通常取c=5～10。 按下面經(jīng)驗公式計算

其中

收斂條件為

外點罰函數(shù)法的優(yōu)化計算流程如圖3所示。

圖3 外點罰函數(shù)法的計算流程

2.3 分析模型的驗證

材料力學(xué)及梁單元的有限元計算結(jié)果見表1，通過對比驗證了計算結(jié)果的正確性。

表1 材料力學(xué)及有限元計算結(jié)果對比表

3 大型液壓機(jī)本體局部圓角半徑對其強(qiáng)度和剛度的影響

當(dāng)壓力機(jī)框架過渡圓角半徑分別為150、200、250、300和350 mm時，框架的變形和等效應(yīng)力變化曲線如圖4和圖5所示。從圖4中可見，上橫梁撓度與工作臺的撓度曲線變化趨勢相反，并且呈波動變化趨勢，立柱撓度隨圓角半徑的增大而增大，但增大幅度不大，近似線性變化。從圖5中可見，框架最大等效應(yīng)力隨圓角半徑的增大而減小，減小幅度較大，呈非線性關(guān)系，此外，隨圓角半徑的增大，應(yīng)力集中明顯減小。

圖4 不同圓角半徑時壓力機(jī)框架的變形曲線

圖5 不同圓角半徑時壓力機(jī)框架的等效應(yīng)力曲線

4 結(jié)論

本文針對機(jī)械設(shè)備本體的設(shè)計與分析，得出以下結(jié)論：（1）提出了宏微觀的設(shè)計與分析思路，該方法一方面保證了分析精度，滿足了每個階段的要求，另一方面有效地提高了分析效率；（2）基于宏微觀的設(shè)計與分析思路，對大型液壓機(jī)本體進(jìn)行了宏觀分析，建立了其理論和優(yōu)化模型，并對理論模型進(jìn)行了驗證；（3）基于宏微觀的設(shè)計與分析思路，對大型液壓機(jī)本體進(jìn)行了微觀分析，研究了圓角半徑對液壓機(jī)強(qiáng)度和剛度的影響規(guī)律。本文的研究為機(jī)械設(shè)備本體的快速、準(zhǔn)確的設(shè)計與分析提供了方法和依據(jù)。

［1］ 王慧，王衛(wèi)衛(wèi).液壓機(jī)本體柔性化設(shè)計相關(guān)技術(shù)的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2004（1）：44-46.

［2］ 王慧，王衛(wèi)衛(wèi)，宋艷君.液壓機(jī)本體柔性化建模的研究［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003（5）：76-78.

［3］ 吳先文，楊林建，李雷.大型熱模鍛壓力機(jī)機(jī)架組件有限元分析［J］.機(jī)械傳動，2011（9）：65-69.

［4］ 何文斌，曾攀，林峰，等.40 MN鋼絲纏繞多向模鍛液壓機(jī)機(jī)架有限元模態(tài)分析［J］.鍛壓技術(shù)，2011（2）：69-73.

［5］ 陳俊鋒，張衛(wèi)，劉小林，等.基于正交試驗與APDL的液壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.鍛壓技術(shù)，2011（2）：74-77.

【責(zé)任編輯 黃艷芹】

Study on Design and AnalysisM ethods of the Noumenon of M echanical Equipment

ZHANG Guozhi1,SU Jie2
（1.Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang University,Xinxiang 453003,China；2.Xinxiang Institute of Science and Technology Information,Xinxiang 453002,China）

Design and analysismethods of the noumenon ofmechanical equipment were studied.The design and analysis approach based on macro and micro idea was proposed.Taking the engineering case of hydraulic press noumenon for example，the study analyzed the design ofmechanical equipment noumenon.Firstly，itsmacro analysis was done，including establishing its theoretical model and optimization model with external penalty function method.Then，itsmicro analysis was done，including studying on the influence of its transitional fillet radius to its strength and stiffness.Moreover，the analysismodel established was verified.The study in the paper provides an approach to efficientand accurate design and analysis of the noumenon ofmechanical equipment.

the noumenon of mechanical equipment；macro analysis；micro analysis；external penalty function method；transitional fillet radius

TG66

A

2095-7726（2015）06-0049-03

2015-03-10

河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目（2011C460002）

張國智（1978-），男，黑龍江木蘭人，副教授，博士，研究方向：材料加工過程及設(shè)備的有限元數(shù)值模擬、工程中的優(yōu)化方法、宏微觀塑性力學(xué)和生物力學(xué)。