（机械工程专业论文）船体板材成型液压机的可靠性设计研究.pdf

摘要 为满足造船新规范对船首船尾板材成形加工设备大型化的要求，针对现代船 体板材成型液压机存在的一些不足，对造船液压机移动回转压头液压机机架 进行全新改进设计。结合可靠性理论对液压机机架进行可靠性评估及优化设计， 在满足液压机机架高刚度的基础上，做到机身的轻量化设计，并通过刚度实验检 测，验证设计的合理性。 本文具体内容如下： 1 ) 介绍船体板材成型液压机、液压机设计方法及结构可靠性设计的研究现 状，简述本课题的提出、研究意义及课题研究内容。 2 ) 阐述液压机主机结构的设计流程，并以系列液压机1 5 0 0 0 k n 规格为例， 详细阐述其设计过程，并最终确定液压机的机型，各部件之间的连接形式及各截 面的具体形状和筋板布置情况。 3 ) 运用故障树分析法分析了液压机机身的失效模式，并基于f o r m 法对液 压机机架进行了可靠性评估，包括上横梁、下横梁、立柱各部件，随后使用m c m 抽样法对f o r m 法进行了检验。 4 ) 针对两款不同连接形式的液压机机架：键定位机型和台肩定位机型，使用 有限元法在不同工况下对其进行比较分析，分别从整机强度、刚度两方面进行比 较，验证改进机型台肩定位机型结构的合理性。 5 ) 以1 5 0 0 0 k n 规格液压机下横梁为例进行了可靠性优化设计，使用d o e 进 行试验设计，确定影响下横梁可靠性的主要因素，基于径向基神经网络建立代理 模型，使用n s g a i i 遗传算法对液压机下横梁进行多目标的可靠性优化设计， 在保证下横梁强度、刚度可靠性的基础上，做到减重的目的。 6 ) 阐述船体板材成型液压机刚度检测的具体方法，并使用激光跟踪仪对 1 5 0 0 0 k n 样机进行了实际检测，通过检测结果与有限元结果的对比，验证有限元 分析建模的合理性及有效性，为系列液压机的设计提供参考依据。 关键词：船体板材成型液压机拓扑优化设计可靠性设计d o e 径向基神经网 络代理模型多目标优化 t om e e tt h er e q u i r e m e n to fn e wr u l e sf o rh u l lp l a t ef o r m i n g ，a c c o r d i n gt ot h e s h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gh y d r a u l i cp r e s s ，n e wh y d r a u l i cp r e s sf r a m eo fs h i p f i u i l d i n g w a si m p r o v e d b a s e do nr e l i a b i l i t ya n do p t i m i z a t i o nt h e o r y ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e h y d r a u l i cp r e s sw a se v a l u a t e da n dr e d e s i g n e d a n dt h en e w f r a m eo ft h eh y d r a u l i c p r e s sh a sh i g hs t i f f n e s sa n dl i g h t w e i g h t ，t h e nt h es t i f f n e s so ft h eh y d r a u l i cp r e s sw a s t e s t e da n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nw a sv e r i f i e d t h es p e c f i cc o n t e n to f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h e s t a t u so f s h i pb u i l d i n gh y d r a u l i c p r e s s ，t h ed e s i g nm e t h o do f h y d r a u l i c p r e s sa n d t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fs t r u c t u r a lr e l i a b i l i t yd e s i g nw e r ee l a b o r a t e d t h e o r i g i na n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c ew e r es u m m a r i z e da n dt h em a i nc o n t e n t so f t h e s u b j e c tw a sp r e s e n t e d 2 ) r n l ed e s i g np r o c e s so f t h eh y d r a u l i cp r e s sw a si n t r o d u c e d a n dw i t ho n e 匆p e o f1 5 0 0 0k n h y d r a u l i cp r e s so f t h es e r i e sa sa ne x a m p l e ，t h ed e s i g np r o c e s sw a s p r e s e n t e d 3 、t h ef a i l u r em o d eo f t h eh y d r a u l i cp r e s sw a sa n a l y z e d 皿s i a gt h ef a u l tt r e e b a s e d o nt h ef o r m ，t h er e l i a b i l i t yo f t h eh y d r a u l i cp r e s sf r a m ew a se v a l u a t e d ，t h e nt h e r e s u l t sw a sc h e c k e db ym c m 4 1t w od i f f e r e n tk i n do fh y d r a u l i cp r e s sf r a m ew a sc o m p a r e db a s e do nt h ef e m t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hw a sa n a l y z e di nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er a t i o n a l i t yo f t h e n e ws t r u c t u r ew a sc h e c k e d 5 ) w i t h15 0 0 0k nh y d r a u l i cp r e s sa sa l le x a m p l e ，t h eo p t i m i z a t i o no f t h e l o w e r b e a mw a sd e s i g n e db a s e do nr e l i a b i l i t y t h et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so f t h e r e l i a b i l i t yo f t h eb e a mw a sd e t e r m i n e du s i n gd o e ，a n dt h e nt h er b fm o d e l w a ss e tu p ， t h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw a sc a r r i e do u tb a s e do nn s g a i i 6 1r n l et h et e s t i n gm e t h o do fs t i f f n e s so f t h es h i pb u i l d i n gh y d r a u l i cp r e s sw a s e l a b o r a t e d a n dt h es t i f f n e s so ft h e15 0 0 0k nw a st e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h en e w f r a m eo ft h eh y d r a u l i cp r e s sh a dah i g hs t i f f n e s s k e yw o r d s - h u l lp l a t ef o r m i n gh y d r a u l i cp r e s s ，t o p o l o g yd e s i g n ，r e l i a b i l i t y d e s i g n ，d o e ，r b fm o d e l ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i i i 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 船体板材成形加工是在平面板材上或平直型材上按要求加工成构件实际形 状的成形方法。图1 1 为大型船舶的船首船尾，船首、船尾板材成形( 图1 2 ) 需要大吨位的造船液压机。 图1 1 大型船舶船首、船尾 图i - 2 板材成型加工 天津市天锻压力机有限公司十五年前与上海船舶九院合作设计，自行生产了 国内第一代移动回转压头造船压机，虽然提高压头的压制力，使大型制件在压制 中不需人工搬移，使压头在最佳位置可以任意调整，减少船体的焊接工作量，摆 第一章绪论 脱高温作业的恶劣操作环境，减轻劳动强度。但由于主机结构和性能及可靠性方 面存在的缺欠，不能适应先进造船模式对成形加工装备提出高刚度、数控化、自 动化、成套性的新要求，开发新型造船液压机，液压机性能可靠性的提升势在必 行。 液压机一般由三部分组成：本体( 主机) 、动力系统及液压控制系统。液压 机本体由机架、液压( 工作及回程) 缸部件、运动部分及其导向装置以及其他辅 助装置组成。辅助装置则是根据工艺需要而增设，如顶出装置、穿孔装置、移动 工作台、加热保温装置等。液压机产品的可靠性能整体处在较低水平，设备使用 寿命和安全性能较低，一些关键核心原部件仍需从国外进口，这些主客观原因严 重限制了我国液压机技术的发展。 机械可靠性是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能 的能力。据有关方面统计，产品设计对产品质量的贡献率可达7 0 - - 8 0 ，可见 设计决定了产品的固有质量特性。现代生产的经验表明，在设计、制造和使用的 三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠性，而制造和使 用的任务是保证产品可靠性指标的实现；可靠性试验数据是可靠性设计的基础， 但是试验不能提高产品的可靠性，只有设计才能决定产品的固有可靠性；把概率 统计意义上的分析与设计方法应用于实际产品的分析与设计，是当今我国机械行 业应该引起高度重视和迅速发展的研究方向i l j 。 近几年，与机械结构可靠性分析相关的强度分析技术与计算机力学得到了很 快的发展，由单纯静强度的分析发展为综合考虑静、动、热、疲劳等广义强度分 析技术，另外有限元结构优化技术的发展，使工程结构强度分析能力得到快速发 展。在此将可靠性用于液压机的设计具有重大的意义和研究价值。 1 2 课题研究的现状 1 2 1 船体板材成型液压机研究现状 船体板材成型液压机主要用于船舶制造等行业的厚板弯曲、折边、矫平等冷 热成型加工的专用压制设备。船体板材成形加工是在平面板材上或平直型材上的 船体构件毛坯按要求的轮廓形状进行分离，并将其加工成构件实际形状的成形方 法。 1 ) 国外船体板材成型液压辛几研究动态、水平 国外大、中型船厂主要采用大能力、高工效、多用途的常规液压加工设备。 其加工辅助作业机械化程度很高，从而减轻了工人的劳动强度和提高了生产效 第一章绪论 率。日本在9 0 年代中期建设的三菱重工长崎造船厂香烧分厂，无论是工艺技术 水平还是建造规模都处于世界领先地位，其钢板加工设备，体现了吨位大、功能 多、以及输送辊道长和起重设备全。三菱重工长崎造船厂香烧分厂所使用的两台 龙门式1 5 0 0 0 k n 液压机，工作台左右尺寸可以达到6 0 0 0 m m 和6 3 0 0 m m ，可以代 表日本船厂船体板材成型加工设备水平。 船体板材成形加工的机械化与自动化是各个国家所追求的目标，当前主要通 过在现有成型设备基础上进行改进实现多功能化和数控化。目前国外大多数船厂 的加工设备仍然是单臂油压机，或可移动压头油压机。一些建造大型船舶的船厂 采用门式可移动压头油压机，其压制吨位大多在8 0 0 0 - - - - 1 5 0 0 0 k n 之间。 荷兰n i e l a n d 造船液压机，自1 9 6 2 年登上造船液压机舞台，一直致力于 造船用液压机设计及生产，在过去近5 0 年中，n i e l a n d e 成为船舶专业知名的 液压机生产商。主要产品：框式液压机( 1 7 5 0 1 0 0 0 0 k n ) ，框式滚压机 ( 7 5 0 1 5 0 0 k n ) ，肋骨冷弯机( 1 7 5 0 5 0 0 0 k n ) 。但其造船液压机压头是固定的， 不可横向移动，一般采用电葫芦移动板材，没有输送辊道装置【2 1 。 德国s m t 公司生产的造船液压机【3 】如图1 4 所示，采取和n i e l a n d 公司生 产的造船液压机类似的结构，压头和工作台只有旋转的功能，采用电葫芦实现板 材的移动。 图1 - 3n i e l a n d 造船液压机 第一章绪论 图1 4s m t 造船液压机 2 ) 国内船体板材成型液压机研究动态、水平 我国造船工业目前所使用的船体板材成形加工装备，主要是整体“c ”型结 构的单臂液压机，所采用的液压机规格一般为2 0 0 0 - - 8 0 0 0 k n ，受结构的限制， 存在两方面不足：一，制件的压制吨位受到限制，因上压头和工作台之间的距离 伸长应符合其机身结构刚度的要求，使主缸压制力不能太大。为降低材料变形力， 往往在加热状态下压制复杂曲度的板材，工人操作环境恶劣；二，成形制件的规 格受到限制，因压头和工作台三面敞开，使喉深参数不能太大，由于压头位置固 定，在压制船体板材时，只有通过移动板材的形式才能完成加工，因此加工板材 的尺寸受到限制。单臂液压机不能完成大型船体板材成形加工。 天津市天锻压力机有限公司在上世纪为江南造船集团有限公司提供一台 1 5 0 0 0 k n 的压头固定的框式液压机；十五年前与上海船舶九院合作设计，自行生 产国内第一代( “键定位”) 1 0 0 0 0 k n 移动回转压头造船液压机如图1 5 所示；图 1 - 6 为南通天王液压机有限公司生产的造船液压机，其采用的也是键定位的形式 4 1 。 图1 5 天锻造船液压机 4 第一章绪论 图1 - 6 南通天王液压机有限公司造船液压机 1 2 2 液压机设计方法研究现状 材料力学方法是液压机主机设计的最初方法，现代设计方法在液压机设计中 也逐渐开始应用，其中主要包括：有限元分析、优化设计、模块化设计、可适应 设计等。 有限元方法应用于液压机结构设计分析始于8 0 年代，近年来应用更趋于广 泛，通过分析可获得结构的强度和刚度信息，为液压机结构的设计提供了参考。 孙彩丽【5 】提出了2 0 m n 快锻液压机本体结构的总体设计方案，以a n s y s 建立了 液压机本体结构的相关部件的三维弹性接触分析模型，实现了本体结构的整体数 值模拟分析。杨振民【6 】完成了4 5 m n 快锻液压机本体的设计，着重对工作缸做了 结构设计和有限元计算，并在获得工作缸接近实际工作状态的机械性能参数后对 缸底进行了结构优化。宋雨芳【7 】基于液压机设计理论，利用有限元分析软件 a n s y s ，通过合理的结构简化，建立了5 0 0 吨自由锻液压机机身主要大型承载 组焊件的有限元模型，并进行了强度和刚度的分析，得到各组焊件的应力分布和 刚度状况，从而寻找出组焊件中存在强度和刚度富裕的构件，为该组焊件的优化 设计和改进提供了数据支持。刘茜等【8 】利用大型结构有限元软件a n s y s 对1 0 m n 可移动压头框式油压机机身进行了刚度强度的计算与分析。 优化设计方法应用于液压机结构设计也始于2 0 世纪8 0 年代，液压机设计从 安全校核转变为结构的优化设计。有限元法可以解决液压机结构的精确分析，但 设计人员更关注结构设计的合理性，传统的设计方法主要是根据设计者的经验， 确定不同的方案，从中选取设计者认为合适的方案，但其方案可能不是最好的。 随着计算机的不断发展，结合有限元应用优化方法后，使得在设计过程中既能不 断选择设计参数并选出最优设计方案，又能加快设计速度，缩短设计周期。现在 第一章绪论 普遍的优化设计主要应用在液压机结构参数上的优化。 金有副9 1 建立了液压机下横梁有限元力学模型和结构优化设计数学模型。以 下横梁重量为目标，以焊件板的厚度尺寸为设计变量，在满足下横梁静强度、刚 度、边界约束条件下，利用a n s y s 的a p d l 参数化语言建立了基于强度和刚度 要求的下横梁结构优化设计数学模型，在大幅降低下横梁重量的基础上有效地改 善了下横梁的机械和力学性能。冯瑞年【1 0 】基于液压机设计理论，参考原有液压机 结构设计方案和设计经验，以a n s y s 作为分析工具，分别对该液压机的上、下 横梁以及液压缸的结构进行参数化设计，在应力许可范围内，以其重量为目标函 数进行优化设计。吴鹏【1 1 】以基结构法为基本研究方法，以压机底座为研究对象， 对箱形板系结构的拓扑优化进行了系统研究。提出用于结构拓扑优化的压机底座 板系基结构设计。在已建立的底座板系基结构基础上，给出了结构拓扑优化数学 模型。提出基于三层b p 神经网络结构近似分析方法的压机底座板系结构拓扑优 化问题的遗传算法。制作了两个1 ：5 的金属模型，对技术参数相同、结构性能 相近，而拓扑形式( 其中之一为最优拓扑结构) 和重量不同的底座模型进行了实 验对比。实验表明，其提出的算法具有实用性、可靠性和有效性。王力波1 1 2 j 采用 有限元法来分析和优化液压机机身，进行有限元三维整体接触分析，得出液压机 的静态特性，从而揭示整体机架及各部件结构的应力和位移分布规律，并且对预 紧状况进行分析。采用a p d l 语言建立上横梁、下横梁的参数化模型，并以部件 总质量为目标函数，采用子问题优化算法，分别对上横梁、下横梁结构进行了优 化，获得最佳的结构设计参数。 李艳聪等 b - 1 4 】提出刚度和质量驱动的液压机多目标优化设计方法，并基于 b p 神经网络和遗传算法对液压机上横梁进行了多目标优化，取得了明显的效果。 周耀东掣1 5 对t h p 3 4 y - 2 0 0 0 液压机机架结构进行了优化。秦东展等1 16 j 研究了液 压机上横梁的结构特点及其设计优化，并应用于y 3 2 5 0 0 b 四立柱下横梁的结构 设计，得到了满意的结果。赵升吨等【l7 j 采用改进遗传算法对油缸的结构参数进行 优化，优化后液压缸的重量相对减少了4 1 。吴生富等【18 利用三维接触有限元 分析结果建立了下横梁性能的人工神经网络模型。利用该模型对下横梁性能及其 影响因素和规律进行了系统分析，并给出了1 5 0 m n 液压机的合理参数。毕大森 掣1 9 】对t h p 3 4 y - 2 0 0 0 利用结构优化设计方法对液压机机身进行了结构优化设 计。 模块化设计是一种通过功能模块的选择和组合实现个性化产品快速设计的 方法。钟伟弘1 2 0 】根据广义模块化设计的思想，针对组合框架式和整体框架式液压 机的结构特点，分别建立了基于柔性模块和虚拟柔性模块的液压机产品族，以便 实现液压机产品的快速设计。徐丽萍【2 l 】以面向产品族的思想，采用广义模块化设 6 第一章绪论 计方法对液压机产品设计进行了系统的研究。针对液压机主机机身结构特点，研 究了其产品族设计方法，并提出了基于柔性元结构的建模技术。段志东【2 2 】在研究 广义模块化设计的基础上，提出了携带有限元信息的广义有限元模块。在广义有 限元模块层面上，对机架的核心组件上横梁、立柱和下横梁分别进行了拓扑优化 和尺寸优化，突破了整机因规模巨大难以优化的瓶颈，也为类似结构的优化设计 开辟了一条可行之路。 可适应设计是顾培华教授提出的一种设计理念。可适应设计认为，产品设计 应考虑产品的衍生、扩展、提升等适应能力，并从结构上考虑其实现性，从而保 证和达到产品的最佳生存力( 包括生命时间生存力和功能生存力及其他如环境适 应生存力等) 及企业利益最大化的潜能力口3 1 。陈兴玉等口4 1 将可适应设计理论应 用于y h 3 0 型液压机的设计，提出了可适应性重用、可适应模块重构、可适应验 证和可适应性优化策略。徐铭章 2 5 】结合液压机制造行业产品变型的多样化特性， 在产品平台方法的基础上，将可适应设计的思想引入到液压机产品的设计中，探 讨了构建液压机可适应平台的具体方法和技术。在此基础上，在通用c a d c a e 软件上二次开发构建专用设计系统，在全参数化液压机产品平台模型的基础上， 可允许按照用户的要求进行快速设计，构建出新产品模型，并可对设计出的模型 进行最优化，在满足性能要求的前提下最大程度地降低原材料成本。 李晓宏掣2 6 】提出了面向f m s 的全自动高速液压机产品技术平台规划方法。 m a r e n t o f t 等人【2 他8 1 提出了一种测量压力机刚度的新方法，该方法通过施加压力 机框架的水平和垂直方向的独立载荷，以测量扭转刚度。建立的压力机刚度由一 个6 乘6 阶柔度矩阵表示，依据该矩阵，可以对液压机的垂直刚度和角刚度进行 预测。 1 2 3 结构可靠性设计研究现状 新工程结构的设计与旧工程结构的评估需要的分析工作，计算结构的能力和 对结构的要求是通过建立适当的理论模型来进行的。随着结构理论水平和计算机 软硬件技术的进步，在确定性领域里，目前所建立的理论分析已经能越来越精确 地描述复杂结构系统的行为。 但是结构工程包含固有的不确定。这些不确定性一方面是，结构本身在材料 的物理性质的不确定性和结构的几何尺寸由于制造技术水平的限制带来的随机 误差；另一方便，机械结构所面对的工作环境和人为施加的作用中含有更强的不 确定性。 有多种数学模型适合将不确定因素进行量化，如概率模型、模糊数学模型和 可能性模型等。其中在结构工程领域最广泛使用的是概率模型，这主要是因为概 第一章绪论 率论数学远较其他不确定性数学成熟，已经能够处理各种复杂情况下的不确定性 的传递，而且有成熟的统计理论，有大量的测量数据作为其物质基础。此外，概 率模型在概念理解上拥有更大的灵活性( d i t l e v s e n ，1 9 9 6 ) 2 9 j 。 结构分析的主要目的是为了保证结构在给定使用期内的安全性与使用性。结 构可靠度方法按分析要求和提供的信息程度可分为四个不同层次( m a d s e n ， 1 9 8 6 ) 【3 0 。 只使用每个随机量的一个特征值的可靠度方法称为“层次一”方法，荷载与 抗力的分项系数分项系数分析模式以及容许应力法均属于这种类型；使用每个不 确定量的两个值( 通常为均值与标准差) ，再加上不确定量之间的相关度量的分 析方法称为“层次二”方法。水准二方法忽略结构参数在使用期中的变化，使用 时不变结构模型，以随机变量表示结构参数，因而外部作用的随机过程也可以简 化为随机变量。层次二方法是目前许多国家的结构设计规范中分项系数设计的依 据。以一次二次可靠度算法( f i r s to r d e rr e l i a b i l i t ym e t h o d ，f o r m s e c o n do r d e r r e l i a b i l i t ym e t h o d ，s o r m ) 为代表的层次二方法在2 0 世纪9 0 年代前后已经基本 发展成熟，至今还没有更好的可靠度算法可以完全取代f o r m s o r m 方法 ( r a c k w i t z ，2 0 0 1 ) 。利用所有基本变量联合概率分布函数信息的方法为“层次 三”方法。层次三适合对社会经济意义重大或涉及大量人员生命的结构。考虑施 工、维护、维修、结构失效后果、利息与资金的损失与效益等综合因素，对结构 设计或检修进行优化的可靠度方法为“层次四”方法。 如今人们已经承认不确定性对机械结构安全性有重要影响，而且 f o r m s o r m 可靠度算法已经发展成熟，并得到广泛的应用。 a m f r e u d e n t h a l 教授提出用应力强度干涉理论，从理论上解决了可靠 性指标的问题，使结构可靠性设计进入新的研究阶段【3 1 3 2 1 。a n i r b a nb a s u d h a r 等 1 3 3 采用可适应性抽样并基于极限状态函数对零件进行了失效概率的计算。c p r o p p e 3 4 】提出概率断裂力学的方法，将寿命计算分为确定的部分和不确定的部 分，可对零件寿命进行准确的预测。o g u zk a y a b a s i ，b u l e n te k i c i 3 5 j 结合有限元方 法，将概率方法应用于假肢系统的故障预测，探讨不同几何参数对其的影响并进 行形状优化设计，取得良好效果。l y u b e ndi v a n o v , g ew a n g ，j o ef o s t e r 3 6 提出使 用蒙特卡罗模拟法验证船体梁弯曲应力的概率分布。b ya o l u f s e n 等p7 j 对导管架 平台结果进行了不确定性和可靠性分析，对结构分析具有借鉴意义。 宜亚丽【3 8 】对摆动活齿传动进行模糊可靠性设计，使摆动活齿传动的设计更加 合理，贴近客观实际。应用灰色聚类分析方法对摆动活齿减速器进行多目标优化 设计。王广欣【3 9 】对端面啮合摆线钢球行星传动进行了研究，提出了基于该传动的 模糊可靠性设计方法，采用s u m t 优化方法，对端面啮合摆线钢球行星传动进 第一章绪论 行了模糊可靠性优化，取得了较为满意的结果。王旭亮【4 0 】将可靠性用于不确定性 疲劳寿命的预测。宋广辉 4 u 将可靠性优化设计理论应用到汽车机械式变速器齿轮 系的设计中，得出可靠性优化设计方法在变速器设计领域是可行的，且具有较高 的工程应用价值。王岩【4 2 】利用a n s y s 的概率设计功能采用蒙特卡罗法对电动轮 自卸车轮边减速器行星架进行了可靠性分析，并由模糊可靠性理论进行了优化， 提高了其使用寿命。郭云健【4 3 】在机构可靠性理论的基础上，以转管武器的自动机 部分为研究对象，分析了其机构动作以及结构强度可靠性。闰明等m l 根据灵敏度 和偏导数的定义，提出了多种失效模式下可靠性灵敏度的数学模型，并用m o n t e c a r l o 方法实现了求解。张彦【4 5 】将灰色系统理论与传统的可靠性方法结合在一起， 应用于汽车产品的可靠性工程之中，建立了一个较为完整的基于灰色理论的汽车 产品可靠性工程的体系结构，以便改进设计方案，以提高产品的可靠性水平。马 天政等【4 6 】基于遗传算法对谐波齿轮进行可靠性优化设计，数值算例表明，所提出 的方法是一种实用、有效的方法。陆江丽w 7 l 通过工程实例把可靠性设计法应用到 压力容器的设计中，定量地反映容器的可靠程度。李景奎等【4 8 】对具有随机参数的 连续体结构进行了拓扑优化设计，并考虑了随机参数满足正态分布的可靠性约束， 获得优化结构的同时保证了结构的可靠度。邓英剑【4 9 】对常规可靠性理论和模糊可 靠性理论进行了初步研究，结合液压机的主工作缸部分进行了实际应用，采用故 障树分析方法对主工作缸的失效模式进行了详细分析，建立了其可靠性模型，并 对主工作缸进行了静力学分析和优化设计；对主工作缸的壁厚进行了模糊可靠度 的分析与计算，并依此提了基于模糊可靠度的主工作缸壁厚的优化设计方法。 纵观以上内容，不管是液压机的设计方法，还是可靠性在各结构上的应用， 发现可靠性设计作为现代设计方法在液压机设计上的应用还处于初步阶段，相关 文献及研究内容较少，本课题的提出可以对于提升液压机的可靠性具有重要的作 用。 1 3 课题的提出及研究意义 1 3 1 课题的提出 全球造船业2 0 0 6 年4 月1 日对油轮和散装轮实施共同结构规范，该标准要 求建“更坚固的船”，使船舶的安全使用年限将延长到2 5 年。新规范将使中国与 日本、韩国，以及其他国家在造船技术标准上站在同一条起跑线上，新规范与韩 国等国家的板厚偏薄型的规范相比，用钢量会增加，安全程度增加，如双壳船体 用钢将增加2 至7 。新规范对船体板材成形加工设备向大型化提出要求。 9 第一章绪论 根据以上要求，开发新型的大型压头移动、回转和压制、工作台移动和回转、 辊道输送构成的大型六轴数控移动回转压头框式液压机成套装备，实现对船首、 船尾超厚超大的船体板材吊装、输送、弯曲、弯边、压筋、折边、矫平等成形工 序的连续加工是船舶行业的发展趋势。 根据“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项( n o ：2 0 1 0 z x 0 4 0 0 4 - 1 2 1 ) 课题要求，天津市天锻压力机有限公司与天津大学及天津理工大学合作，对大型 六轴数控移动回转压头框式液压机进行可靠性设计与制造。项目要求开发机械、 液压、电气系统可靠性装置，提高产品可靠性。本文主要研究船体板材成型液压 机主机结构的可靠性设计研究，主要包括主机部件上横梁、下横梁、立柱的刚度 强度的可靠性设计，以及基于可靠性的多目标优化设计。基于d o e 试验，近似 模型及可靠性理论实现液压机部件的可靠性优化设计，在满足刚度强度要求的前 提下，实现主机结构部件的轻量化，从而实现液压机主机结构件的高可靠性，高 刚度的设计要求。本文采用的可靠性分析方法都是以载荷、材料常数、几何参数 等基本变量的随机性为基础，目前，在可靠性分析中，还有模糊可靠性和非概率 可靠性两个分支，其研究成果离工程实用还有较大差距。 1 3 2 课题拍研究意义 液压机的发展趋势是高可靠性、轻量化、大吨位、高刚度和精密化。可靠性 设计的目标是尽可能降低故障率，保障液压机的正常使用。为此，对液压机进行 可靠性设计，在尽可能满足可靠度要求和刚度强度设计要求的前提下，实现液压 机各部件的轻量化设计。这方面业内人士也尝试做了初步的工作，但对液压机主 机机架各部件的可靠性设计还属空白。通过可靠性评估，可以给出船体板材成型 液压机各部件及主机可靠性的定量描述，然后经过可靠性优化设计，可以实现液 压机的轻量化，同时满足液压机高刚度、高可靠性的要求，对船体板材成型液压 机及普通液压机的设计均具有重大的意义。本项目开发的新型船体板材成型液压 机大型六轴数控移动回转压头框式液压机成套装备，既符合国际当代先进的 造船模式，又满足造船新规范的要求，对提升我国造船产业的技术水平，促进我 国自主装备制造业的发展，具有重大意义。 1 4 主要研究内容 1 ) 根据公称载荷、工作空间尺寸及工作要求，确立液压机机架的框架模型： 通过简化力学模型，根据液压机刚度要求，确定液压机主机结构概念原型及结构 部件的初步尺寸；接着确定机身的连接形式，基于结构概念原型结合拓扑优化得 1 0 第一章绪论 到各部件截面的基本形状，从而确定各关键部件的具体结构，在此基础上得到主 机的模型。 2 ) 选用故障树分析法来分析液压机的失效模式，分别建立主机结构各部件 的可靠性分析模型，把几何参数、边界条件以及载荷、材料属性等参数进行变量 考虑，利用经典的可靠度计算模型应力强度干涉模型，采用一次二阶矩法进 行可靠度计算，并利用m o n t ec a r l o 法进行检验，对主机给出可靠性评价。 3 ) 基于有限元方法，建立主机的弹性接触模型，对台肩定位及键定位两种 结构液压机进行对比分析，从整机强度和刚度两方面评定它们的优劣。 4 ) 以液压机重要部件下横梁为例，阐述基于可靠性的多目标优化设计，基 于d o e 分析液压机部件各设计变量对其强度和刚度的影响，确定那些影响较大 的因素，在此基础上建立径向基神经网络近似模型，采用n s g a - i i 遗传算法用 于液压机部件的可靠性优化设计，得到多组p a r e t o 解供设计人员权衡选取，在保 证液压机部件可靠性的同时，做到轻量化的设计。 5 ) 提出船体板材成型液压机刚度检测的方法，对15 0 0 0 k n 规格样机进行实 际检测，将检测结果与有限元法得到的结果进行对比分析，验证有限元分析建模 的合理性，为系列压机的设计提供参考依据。 第二章液压机主机结构设计 一 第二章液压机主机结构设计 根据用户的工艺要求，主机分为6 0 0 0 k n 、1 0 0 0 0 k n 、1 5 0 0 0 1 斟、2 0 0 0 0 k n 四 种规格的大型六轴数控移动回转压头框式液压机，产品技术指标见表2 1 。 表2 - 1 产品技术指标 2 1 液压机主机结构设计流程 液压机结构设计流程如图2 1 所示，根据液压机公称载荷、工作空间尺寸及 工作要求，确立液压机机架的框架模型；通过力学模型简化，以液压机刚度为要 求，采用解析的方法确定液压机主机结构概念原型，结构部件的初步尺寸；通过 计算确定机身的连接形式；在结构概念原型的基础上通过拓扑优化得到各部件截 面的基本形状，结合概念原型，选择较优的一组作为建立各部件的主体结构的基 本参数，确定各关键部件的具体结构，在此基础上得到主机的详细设计模型。 第二章液压机主机结构设计 公称载荷1l 工作尺寸 液压机机架的确定 上横梁力学模型l下横梁力学模型i 立柱力学模型 上横梁概念模型l【下横梁概念模型i 立柱概念模型 液压机主机结构连接形式的确定 液压机主机结构的拓扑优化设计 上横梁截面形 状及各板厚 下横梁截面形 状及各板厚 立柱截面形 状及各板厚 上横梁结构模型il 下横梁结构模型il 立柱结构模型 液压机主机结构模型 图2 1 主机结构设计流程 2 2 1 液压机机架韵选择 船体板材成型液压机最初主要是“c ”型结构的单臂液压机，缺陷是制件的 压制吨位以及成形制件的规格均受到限制，单臂液压机已不能完成大型船体板材 成形加工的要求，而船舶工业发展趋势则是建“更坚固的船”，对船体板材成形 加工设备向大型化提出了要求，选用新形式的造船液压机机架势在必行。 框架式机身结构分为整体框架式与框架拉杆式，整体框架式机身又可分为铸 造结构和焊接结构，如图2 2 所示。铸造结构的优点是省去大量焊接工作和焊前 各承载钢板的切削加工，机架刚度大。但需制造木型，铸造工艺要求较高，整机 重量较焊接结构重。焊接结构的优点是零件数量少，形状简单，工艺性好，省去 了大型铸锻件，制造周期短，成本低，其缺点是结构刚度较差，上下梁承受的全 部载荷仅仅通过联接处的焊缝传递给支柱并扩散至整个支柱断面上，造成焊缝应 力集中，而转角处正是拉应力和弯曲应力最大的断面，形成薄弱环节，加之这一 结构的支柱间距_ 1 0 0 0 m m ，不能适用造船液压机压头和工作台可移动的特点，对 第二章液压机主机结构设计 支柱的间距要求较高的要求，从而选用框架拉杆式机身结构。框架拉杆式可分为 四拉杆形式和小拉杆组合式如图2 3 所示。四拉杆结构通过四个拉杆将上梁、支 柱和下梁连接在一起，实现预紧，成本较高，对大吨位压机可采用这种结构，本 课题选用小拉杆组合式结构。 寻且 以广 ( a ) 铸造结构( b ) 焊接结构 图：2 - 2 整体框架式机身结构 瓶pl ( a ) 四拉杆结构 ( b ) 小拉杆组合式 图2 3 框架拉杆式机身结构 1 4 1 5 第二章液压机主机结构设计 通过计算可得最大弯矩 ( 2 - 2 ) 最大剪力为 q ：! f 三+ p1 弯矩和剪力产生的挠度分别为 厶：一p(l-e)(lz-(l-e)2)3工：氅ga心埘l 咖 9 3 彤，三l 2 ，j 总挠度为 z i + 正：二! 一+ 筹 b ) 2 一匕) 2 。2 4 ， 式中，尸公称力，n ； m 一最大弯矩，n m m ； ，m 弯矩引起的挠度，m m , i ，r 剪力引起的挠度，m m ； 五材料弹性模量，m p a ； = 梁的截面惯性矩，m m 4 ： g 材料剪切弹性模量，m p a ； 妒截面形状系数。 1 6 第二章液压机主机结构设计 qi 卜液压机公称力；e 一油缸偏心距；l e 横梁长度 ( a ) 受力图 p r 工、 t 哼叫j ( c ) 弯矩图 图2 - 6 液压机上横梁非中一t j , j n 载受力分析 2 ) 液压机立柱的力学模型 为了保证液压机整机的刚度，大型六轴数控移动回转压头框式液压机立柱在 工作状态下，支柱的变形不应过大。 p 2 1 p ii 图2 7 立柱受力模型 第二章液压机主机结构设计 最大拉应力 尸 2 s ( 2 5 ) 式中，p 公称压力，n ； s 二每一支柱的截面面积，m m 2 ； 盯最大拉应力，m p a 。 拉伸变形 z = 豢( 2 - 6 ) 式中，尸公称压力，n ： 三受拉伸部分立柱长度，m m ； s 每一支柱的截面面积，m m 2 ； e 材料弹性模量，m p a ； ，拉伸变形，m m 。 3 ) 禳压韧名离棚盒：没计 通过上面的分析，建立上、下横梁挠度与载荷、上下横梁长度的关系式( 2 4 ) ， 其中上、下横梁截面属性：截面惯性矩和抗剪切面积的确定主要是依据上、下横 梁许用挠度、应力、横梁长度和公称力。由于式( m ) 中含有惯性矩和抗剪切 面积两个参数，给定挠度和载荷的情况下不能唯一确定惯性矩和抗剪切面积的 解，因此采用弯矩挠度项加权的方法，将挠度解析为截面惯性矩的函数。 当偏心距为0 时，液压机上下横梁挠度为均为 厂：c 旦 。4 8 e 丘 f 2 7 ) 根据式( 2 7 ) ，在给定刚度指标和公称力时，上、下横梁截面惯性距可以 确定。式中c 的值，主要是通过实例计算确定。根据经验，剪力引起的挠度约占 总挠度的4 4 ，推算出c = 1 7 7 7 ，取c = 2 。 根据上、下横梁截面的等效截面图2 - 8 ，建立其惯性矩与截面变量之间的关 系为 j 一：b ( h - 2 t ) 3 t - 堡+ 2 f ，堕 2 研。 1 26 l2 l ( 2 8 ) 式中，b 上、下横梁宽度，m m ； f 上、下面板厚，m m ； b 立板宽度，m m ； ：惯性矩，m m 4 。 第二章液压机主机结构设计 图2 - 8 上下横梁等效截面图 截面参数可以由式( 2 8 ) 进行规划，式中存在三个未知量，在先确定一个 未知量的情况下，再确定另外两个未知量的关系。为此，根据经验公式( 2 - 9 ) 日2 ( 0 2 5 0 8 弛( 2 - 9 ) 确定上、下梁高，在给出t 的情况下可以确定b ，二者关系表进而可以确定。 按上、下横梁的等效截面( 图2 8 ) ，可以得出抗剪切面积与截面变量之间 的关系式( 2 1 0 ) ， a = hxb(2-10) 式中，日上、下横梁高，m m ； 彳抗剪截面积，m m 2 ； b 立板宽度，m m 。 由式( 2 7 ) 可求得横梁截面惯性矩；由式( 2 8 ) 、( 2 - 1 0 ) 可计算出上、 下横梁等效截面的上、下板的厚度、竖筋的板厚度以及截面的面积。 上述根据刚度约束得到的上、下横梁的等效截面必须满足强度的要求，否则 结构的参数需要调整，最终确定上、下横梁的结构原型。 以1 5 0 0 0 k n 液压机为例，主要参数见表2 1 ，压制中心台面尺寸( 6 0 0 0 m m 2 7 0 0 m m ) ，两横梁左右间距大于6 0 0 0 m m ，取上为7 0 0 0 m m ，前后间距应大 于2 7 0 0 m m ，取2 8 0 0 m m ，又因移动工作台尺寸( 2 7 0 0 m m 1 2 0 0 m m ) ，旋转压 头直径1 0 0 0 m m ，综合考虑压头直径与工作台前后尺寸，取b 为1 6 0 0 m m 。根 据式( 2 9 ) 计算得日为1 6 2 5 5 6 0 0 m m 。惯性矩计算如下： !一x7000=2一15000 x103 x 7 0 0 0 3 5 0 0 0 4 8 2 0 6 1 0 。，： ，一钆1 5 0 0 0 x 1 0 3 ! 竺! q ：兰! ! 竺! 。2 “4 8 2 0 6 1 0 3 = 7 4 3 3 2 5 10 1 1 m m 4 将上面惯性矩结果带入式( 2 7 ) 中，得 7 4 3 3 2 5 1 0 - ：b ( h - 2 t ) 3 + 型坚+ 2 f ，堕1 21 6 毗 第二章液压机主机结构设计 经过计算，在确定上下横梁高日的条件下，满足条件的t 、b 值见表2 2 。 表2 - 2 尺寸参数值 2 4 5 0 8 0 8 5 1 1 5 1 2 0 3 8 3 3 6 7 2 6 4 2 4 6 进行详细设计时，可以根据要求从中选出一组，根据结构构型，将b 值平均 分布到四个或六个横筋板上。 立柱的概念设计，根据式( 2 - 6 ) ，依据压头至工作台距离及油缸的行程， 确定立柱的长度厶根据公称力及刚度指标行进而可以计算出每一个支柱的截面 积，然后将其分配到四个筋板上。以1 5 0 0 0 k n 规格液压机为例，压头至工作台 距离及油缸的行程分别为2 0 0 0 m m 和8 0 0 m m ，因此立柱长度三应大于2 8 0 0 m m 。 式( 2 11 ) 为截面的