复杂机构一体化设计分析优化.doc

1 机构性能设计 在复杂机构设计中，用户最关心的整机性能设计，而机构运动分析的方法有图解法、解析法和实测法等。图解法特点是形象直观、方法简单、但精度不高，且在对机构的一系列位置进行分析时，需反复作图而显得繁琐，设计周期过于冗长。解析法的特点是精度高、比较抽象，计算量大。随着电子计算机硬件资源和各种专业软件的发展和普及而日益得到广泛应用。其中代表的仿真软件Recurdyn等。在复杂机构详细设计阶段，则利用有限元进行强度、刚度、稳定性校核，常用的校核工具有UGS的Nx Nastran等软件，而进行网格划分使用Feamp等工具。2 机构设计过程2.1 传统设计过程 某6连杆冲压机构原理图如下图1： 图1 机构原理图 根据用户要求，需要保证最大压力不变，将冲压形成增大至1100mm。因此需要根据多刚体分析模型，找出机构中的设计变量对冲压机构的运动曲线的影响关系，在此基础上优化公称压力2000t，行程1100mm的多连杆机构。为满足用户使用要求和最小化生产厂家变更引起费用，此机构必须满足下列条件： 驱动臂R250280mm；支撑点变化范围X11001300，Y150350mm； 曲柄中心到下死点距离28003150；公称压力2400T，公称压力行程30mm； 滑块拉伸行程为400mm，拉伸行程内速度小于21m/s，最大小于23m/s，为保证冲压质量，在拉伸行程内拉伸曲线要接近直线，如图3示； 连杆压力角小于45度； 摆杆与摇杆之间传动角大于55度； 连杆最大应力小于60MPa。 对应的冲头的位移、速度、加速度曲线如图示： 图2 冲头位移曲线 图3 冲头速度曲线 图4 冲头加速度曲线在完成机构性能分析的同时，利用Recurdyn软件计算出的压杆两端的最大力，加载在有限元模型中，计算初杆件薄弱区域的最大应力。压杆有限元模型在Femap软件中生成，整个模型使用10节点的体单元，利用Reb3将Recurdyn计算的力分配到压杆两端，使用NX NastranSOL101中的惯性释放进行有限元强度校核计算，检验连杆是否满足设计的强度要求。图5 连杆有限元分析模型 依照传统设计方法，每次做完上图冲头位移、速度、加速度曲线，安装上述工作要求，逐条对应分析是否满足条件。整个过程依靠手动完成，在客户日益缩短的交货周期和日益提供的产品性能要求下，难于满足现在市场环境的要求；同时，对于要求在拉伸行程速度满足一定条件，设计人员凭经验难于形成量化的评价指标，即使设计人员编写一段程序对该段拉伸曲线进行处理，对于这种高度非线性问题，没有可靠、高效的数学方法，亦不能同时满足上述约束条件。在机器的加工过程和客户使用磨损后，冲压机构性能的波动更是依靠校核无法完成的设计工作。 因此，为了解决上述问题，在进行该机构性能、杆件强度设计时，引入iSIGHTFD软件，集成Recurdyn、Nx Nastran软件形成完整的机构性能设计、强度校核工作流程，以试验设计、优化算法、回归分析、质量工程等结构化设计方法驱动整个工作流程，进行冲压机构性能设计和连杆强度校核，达到提高设计效率、质量，缩短设计周期的目的；同时，利用在优化过程中产生的数据可以通过iSIGHTFD与TeamCenter等PLM的数据接口可以直接写入企业数据库中，形成企业设计知识，当遇到相同设计时，能够让广大设计人员方便查询、利用。2.2 优化设计过程 该机构性能设计、强度校核的工程问题在iSIGHTFD中形成的的优化问题定义如下： 利用冲压机构在拉伸段工作曲线的速度、加速度的方差加权后形成设计目标，可以将手动设计模糊的设计准则形成准确的数学表述，以此形成定量的衡量标准，实现性能设计由定性分析向定量分析的提升。2.2.1 iSIGHTFD定义试验设计过程 在iSIGHTFD环境下集成Recurdyn、Nx Nastran软件设计流程如下图6，以田口试验设计和梯度优化算法驱动该工作流程。图 6：iSIGHTFD集成Recurdyn、Nx Nastran试验设计流程图 7：iSIGHT生成田口试验设计矩阵田口试验设计是由田口玄一博士所提出的一套实验方法，它在工业上较具有实际应用性，能够帮助厂商实现在生产前就使复杂的产品能达到高品质稳健、成本最低。该方法根据客户现有技术条件，实现减少变异亦即要有较大的再现性和可靠性，最终实现为制造商和消费者节省更多的成本。 在iSIGHTFD中利用田口试验方法驱动整个流程，对整个设计空间做个初步探索，甄别各个设计对系统目标、约束的影响程度，为后继优化设计、质量工程做准备工作。图 8：设计变量对机构性能影响的主效应、帕莱托图图 9：试验设计各个响应变化图 从图8、图9观察可以看出，对于在拉伸段速度变化最小目标，在设计初始点效果最好，但是最小压力角不能满足要求；从帕累托图上可以看出，在3个设计变量中，对性能影响最大的驱动臂的长度。在试验设计矩阵第5、7、8、9对冲压杆件关键区域（图5）的应力影响最大。 因为对于机构设计问题，设计变量和目标之间有高度的非线性影响，因此我们仅凭试验设计不能全面的评估该设计方面是否可行。下一步，为提高该机构性能，应采用优化设计方法，包括梯度方法、遗传算法等全面搜索设计空间，找到全局最优解或近似最优解；同时，还应考虑加工过程的不确定性和使用过程中磨损后机构性能的下降。在完成上述工作后，利用Femap、Nx Nastran进行详细的结构校核，考虑机构各个部分的结构强度、刚度、受压部件的稳定性、系统的动态响应等。3 结论 上述工作是进行机构性能设计、部件详细设计的一个开始，后继工作有机构性能优化、部件有限元分析，以及考虑各种不确定性的稳健设计（Robust design）等，同时，应用数据回归分析，形成企业设计知识，另一方面要实现优化数据与TeamCenter等企业信息化平台数据共享，方便其他设计人员查询优化结构和浏览设计、分析、优化流程。通过上文的分析，可以得出下午的结论： 1、利用Recurdyn、Nastran等仿真工具软件可以有效的提供企业产品设计水平，全面检验产品各项性能。但是，如果没有过程集成、自动化技术，在进行复杂系统开发时，各个模块、部门之间的数据交换、设计标准定量化形成过程将成为决定企业应用Nx Nastran等工具软件水平高低的主要影响因素； 2、基于流程集成的方法可将Nx Nastran等有限元软件与试验设计、统计过程控制（SPC）等结构化产品设计方法结合，将是企业能够产品虚拟样机阶段考虑各种因素的影响，以及产品的加工、使用过程中的不确定性，使企业的CAE仿真能力有设计校核提升到稳健设计（Robust design）水平。同时，流程集成（SMP）能够有效的实现企业跨