基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计

1、第 25卷第 11期机 械 设 计Vol. 25No. 112 0 08 年 1 1 月JOURNAL OF MACH INE DESIGNNov.2008基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计曾国英1 ,王建平23( 1. 西南科技大学制造学院 ,四川绵阳 621010; 2. 绵阳职业技术学院机械工程系 , 四川绵阳 621010 )摘要:首先介绍了三维振动台的工作原理 ,建立了振动台的虚拟样机 ,然后采用 ANSYS对虚拟样机进行了动力学分析 ,得到了各阶频率、振型与振幅 ,分析发现响应幅值较小 ,无法满足设计要求。在此基础上 ,对三维振动台进行了结构优化 ,优化前后的动力学分析表明

2、:优化后的幅值有大幅度提高 ,达到了设计要求。关键词:强化;抛光 ;虚拟样机 ;有限元;优化设计中图分类号: TB123; TU318文献标识码: A文章编号: 1001 - 2354 ( 2008) 11 - 0056 - 03三维振动台是一种复杂的机电一体化设备 ,采用振动方法完成对异型曲面零件如飞机发动机叶片等的强化抛光。为了达到好的强化抛光效果 ,必须使振动台面上的强化抛光介质与工件之间在振动过程中有充分的碰撞与摩擦 ,从而提高振动强化抛光的效率。设计要求振动台在共振状态下工作 ,工作频率在 516 Hz内可调 ,振幅达到 810 mm ,这就使设备的结构设计非常复杂 ,对关键零件的结

3、构尺寸、设备的质量有非常严格的要求。为了缩短产品的设计制造周期 ,降低制造成本 ,在三维振动台的设计中 ,首先采用理论建模方式初步确定设计参数 ,然后采用 Pro / E建立装置的虚拟样机模型 ,在此基础上将模型传送到 ANSYS中进行动力学分析 ,对三维振动台进行优化设计 1, 3, 6 。1三维振动台的工作原理三维振动台用电动激振器按振动强化抛光的工艺参数所要求的振频 (该频率也是系统的固有频率 )对振动台进行正弦激振 ,使振动槽产生三维正交振动。为保证振动强化抛光工艺系统始终能在 516 Hz内的共振状态下工作 ,采用了悬臂梁式完成对振动台固频调谐 ,图 1为三维振动装置示意图。三维振动

4、台能产生 3向独立的振动 ,采用了 3层结构方式 , 所有支承均采用悬臂梁型弹性支承 ,结构原理如图 1 所示。第1层台下面的 3支承互成 120夹角布置以使振动台产生绕 z轴和 x轴的摇摆振动。第 1层 3个可调悬伸梁的水平变刚度弹性支承承受整个系统的质量 ,并通过调节 3 个水平方向弹性支承悬伸量的方式调节系统固有频率 2, 4 ,通过对 3 个支承的激振产生 y方向的振动 ;第 2层采用 4个竖直变刚度弹性支承 ,对 4个变刚度弹性支承激振产生 x 方向的振动; 第 3 层结构与第 2 层相似 ,只是板簧的支承方式不一样 ,从而产生 z方向的振动 , 3 个方向的激振是互相垂直独立的。采

5、用激振器产生振动 ,振动参数决定了强化抛光加工质量 ,为了减少能耗 ,使用很小的激振力便可产生很强的振动 ,因此整个装置基于共振状态工作 , 以使能耗低、振幅大。 7 刘佳 ,李丹 ,高立群 ,等. 基于自适应粒子群支持向量机的短期电力负荷预测 J . 东北大学学报 (自然科学版 ) , 2007, 28 ( 9 ) :1 229 - 1 232. 8 修英姝 ,崔德刚. 复合材料层合板稳定性的铺层优化设计 J .工程力学 , 2005, 22 ( 6 ) : 212 - 216.Layer ing param eters design of lam ina ted w ing cover i

6、ng board ba sed on particle swarm a lgor ithmCHANG Nan, YANG W e i,ZHAO Feng( School of Aeronautics, Northwest Polytechnic University, Xian 710072, China)Abstract: In the design of composite material w ing covering, the p roblem s of stability of upper cover and inside surface rigidity have at all t

7、imes been emphatically followed closely. For the sake of researching the influences of cover layering parameters on cover sta2 bility and inside surface rigidity, this paper established the multi2 target op tim ization model of weighted ideal point method based onparticle swarm algorithm.And under t

8、he p rem ise of not increasingthe structural weight on the lam inated wing covering board to carriedout multi target op tim ization design on the rigidity and stability of cover. The being put forward weighted ideal point method could make the multi target p roblem s be transformed more nimbly and t

9、ersely into p roblem s of single target op tim ization. D irected towardsthe characteristics oflam inatedboard op tim ization, thestrategy ofself adap table inertia weightingand variation has beenintroducedinto the standard particle swarm algorithm ,thus enhanced the accuracy of op tim ization.Final

10、ly the op timal calculation was carried outon four kinds of cover lam inated boards.The obtaineddata bearsreferencing values on the design of layering parameters of lam inatedw ing covering board in engineering p racticality.Key words: lam inatedboard; weightedideal point method;particleswarmalgorit

11、hm; op tim ization design;2multi target2 Fig4 Tab 4 Ref 82J ixie Sheji 778422“”23 收稿日期: 2007 - 12 - 10;修订日期: 2008 - 03 - 10基金项目:国家 863 基金资助项目 ( 202AA421220 )作者简介:曾国英 ( 1966 - ) ,女 ,四川绵阳人 ,副教授 ,硕士 ,研究方向:机电一体化、工程测试。2008年 11月曾国英 ,等:基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计57支撑件 ,因此实际导入的动力学实体有限元分析模型如图 5 所示。对初始模型进行单元划分 ,然后加载

12、求解。图 1三维振动台的结构示意图2 三维振动台结构虚拟样机的建立图 5初始结构实体模型设计时首先根据强化抛光容量确定振动槽的尺寸 ,振动槽的结构如图 2所示 ,根据技术要求拟定的设计参数为 : 磨粒装载量 V = 50 L ,振动槽内腔直径 D = 440 mm ,装载后槽上端空高度 H2 = 4060 mm ,槽底为球面: Rq = 230 mm ,整个 3层构件的质量为 179. 1 kg。图 2振动槽结构图变刚度弹性支承的力学模型如图 3 所示 ,根据该模型知道变化 l1 就可以改变系统的频率 4 。由频率要求初步计算出 5 第 1层板簧厚度为 15 mm ,长度为 150250 mm

13、;第 2 层和第 3层板簧厚度为 10 mm ,长度为 50100 mm。在 Pro / E中建立了振动强化抛光装置的虚拟样机模型 ,如图 4所示。图 3变刚度支承的力学模型图 4三维振动台的三维样机模型3 虚拟样机的动力学分析为了进一步准确分析样机的固有频率、振型和振幅 , 将Pro / E建立的样机模型导入 ANSYS进行动力学分析。根据装置工作的原理 ,为了得到准确的固频和振型 ,在进行动力学分析时将 3根激振杆与连接板脱开 ,去掉对动力学分析无影响的由振动理论知 ,低阶振型较高阶对结构的振动影响较大 , 越是低阶影响越大 ,低阶振型对结构的动态特性起决定作用。又由于阻尼的存在使共振振幅

14、减小 ,在相同的阻尼下 ,频率高的共振幅度降低的程度比频率低的大 ,同时设备要求的频率为516 Hz,故分析计算时取前 510阶即可。文中计算了三维振动强化抛光振动台的前 5 阶固有频率和振型 2 。以初始样机模型第 1 层板簧长度 200 mm ,第 2 层和第 3层板簧长度 80 mm 作为分析长度 ,得到固有频率值如表1所示 ,振型如图 6所示。表 1初始结构模型固有频率值阶数12345频率 /Hz5. 7547. 41813. 21918. 28421. 36958机 械设计第 25卷第 11期第 1阶振型 :连接第 1, 2层的板簧绕 z轴摆动 ,带动整体摆动 ;对比表 2和表 4

15、可以看出结构优化后的各阶固有频率振第 2阶振型 :连接第 2, 3层的板簧绕 x轴摆动 ,带动整体摆动 ;动幅值均有大幅度提高 ,提高幅度约为 128% 155%。第 3阶振型 :整体结构沿 y轴上下平动 ;第 4 阶振型:整体结构绕 z轴摆动;第 5阶振型 :整体结构绕 x轴摆动。5结论通过动力学分析得到了装置的固有频率与振型 ,但由于装置是利用共振进行工作 ,振动幅度对强化抛光效果有非常大的影响 ,装置有明确的振幅要求 ,为此对虚拟样机进行了谐响应分析 ,判断振幅的大小 ,由振幅的大小来判断是否满足加工要求。根据设备的频率工作范围 ,只对前 3 阶进行了分析。根据装置的实际激振情况 ,对

16、1, 2, 3 层施加激振器的力 Fz , Fy 和Fx ,模拟实际振动情况 ,得到前 3 阶固频处的响应幅值如表 2 所示。表 2初始模型响应幅值阶数123频率 /Hz5. 7547. 41813.219幅值 /mm4. 193. 813.28通过谐响应分析发现响应幅值最大只有 4. 19 mm ,最小的( 1) 建立了基于 Pro / E的三维振动台虚拟样机;( 2) 对虚拟样机进行了动力学分析 ,得到了装置的各阶固频、振型与振幅 ;( 3) 通过动力学分析发现虚拟样机的响应幅值过小 ,无法满足加工要求 ;( 4) 对三维振动台进行了结构优化 ,并与原结构进行了对比 ,结果表明优化后的振动

17、幅值有大幅度提高 ,达到了设计要求。优化后的样机已投入运行并通过验收 ,达到了设计要求。通过虚拟样机技术 ,缩短了振动台试制周期 ,同时也降低了制造成本。为 3. 28 mm ,振幅较小 ,无法满足加工要求。参考文献4 三维振动台的结构优化 1 斯捷巴契卡 B A. 飞机制造新工艺 M . 北京:国防工业出版社 ,1982.谐响应分析表明振幅不理想 , 为此需对虚拟样机进行改 2 夏季 ,朱目成 ,马德毅. 带集中质量和弹性支承的梁的横向固有进。对结构进行分析 ,提出了以下的结构优化方案:振动分析 J . 力学与实践 , 2000, 22 ( 5 ) : 27 - 30.( 1) 减小变刚度支

18、承构件的刚性。特别是减小第 1 层板 3 Daniel J Inman. Engineering vibration J . Upper saddle river. NewJersey: Prentice Hall, 2001 ( 5 ) : 25 - 26.簧的刚性 ,可以通过减小板簧的厚度来实现。 4 夏季 ,曾国英 ,刘继光 ,等. 三维振动强化抛光振动台变刚度弹( 2) 增大 3 个方向的激振力。只能通过选择更大型号的性支承调谐固频的探讨 J . 机械设计 , 2004, 21 ( 6) : 24 - 26.激振器来实现。 5 曾国英 ,夏季 ,刘继光. 三维振动台的仿真设计 J .

19、机械设计 ,( 3) 减小装置的质量。激振器所激振的质量的降低有助于振幅的提高 ,而振动台上面的质量主要包括 3 层板的质量和料桶的质量。选择更大型号的激振器会增加装置的成本 ,基于成本最小化原则采用 ( 1 ) , ( 3 )两种方式对虚拟样机进行优化。为了在优化设计中减少计算量 ,缩短计算时间 ,首先在满足结构刚性的条件下确定振动台上面的质量 ,也即是料桶的质量和 3 层板的质量 ,减少后的质量为 120 kg,在优化中该参数作为不变的设计量。然后将模型的响应幅值作为优化目标 ,固有频率作为约束条件 , 3层板簧的厚度作为设计变量 ,按第 2, 3层对称及均匀的原则设置步长 ,依照前述方式

20、进行动力学分析计算各阶频率和响应幅值。最终计算出板簧的厚度 :第 1层板簧厚度为 12mm ,第 2层和第 3层板簧厚度为 7 mm。这样既减小了板簧的刚度 ,同时也降低了垂直方向的质量 ,装置的其他结构参数不变。优化前后的结构参数如表 3所示 ,结构优化后的响应幅值结果如表 4所示。表 3优化前后结构参数设计变量第 1层板簧厚度第 2层板簧厚度第 2 层板簧厚度初始模型 /mm151010优化模型 /mm1277表 4优化后响应幅值阶数123频率 /Hz6. 4168.68814.630幅值 /mm9. 579.358.392005, 22 ( 4 ) : 46 - 48. 6 王国强 ,张

21、进平 ,马若丁. 虚拟样机技术及其在 ADAMS上的实践 M . 西安:西北工业大学出版社 , 2002.Structura l optim iza tion design of 3Dv ibra tionpla tformba sed on v irtua l prototype technologyZENG Guo y ing1 , W ANG J ian p ing22( 1. School ofM anufacturing Engineering,Southwest University of Science and Technology, M ianyang 621010, China;2. M ian2yang College of Vocational Technology, M ianyang 621010, China) Abstract: Firstly the working p rincip le of 3D vibration p lat2form was introduced and its virtual p