專利名稱：一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于重型、超重型制造裝備承載件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前低碳環(huán)保的高效生產(chǎn)方式促使人們在重型、超重型制造裝備的開發(fā)過程中對于如何更好地實(shí)現(xiàn)“低碳轉(zhuǎn)身”這一難題不斷做出深入思考，而這一思考恰恰生動(dòng)地反映出人們在對于諸如數(shù)控機(jī)床支撐件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的綜合性能要求上，由以往變形意義下的“高剛度層面”向未來低碳意義下的“高剛比層面”的深刻轉(zhuǎn)變。在現(xiàn)有的重型、超重型制造裝備承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，大多采用傳統(tǒng)筋板布置形式，主要集中在井字形、米字型等或者以上形式的組合，設(shè)計(jì)形式過于單一，無法獲得具有高比剛度的設(shè)計(jì)方案。與此同時(shí)，現(xiàn)有筋板布局設(shè)計(jì)方法主要依賴于經(jīng)典力學(xué)以及設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，通過反復(fù)修改以獲得最終方案，整個(gè)設(shè)計(jì)過程無法實(shí)現(xiàn)智能化與自動(dòng)化，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下，無法滿足現(xiàn)代大型復(fù)雜裝備的設(shè)計(jì)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法，通過建立承載構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成準(zhǔn)則，將筋板布局設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為支撐件筋板在特定承載面上的投影構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成問題，包含以下步驟:( I)擬三維創(chuàng)成空間模型構(gòu)建在不影響結(jié)構(gòu)功能和設(shè)計(jì)要求下，將機(jī)床支撐件結(jié)構(gòu)簡化為內(nèi)部筋板與外圍壁板的組合體。為了提高設(shè)計(jì)模型的數(shù)值適應(yīng)性，將上述組合體進(jìn)一步抽象為由殼單元與虛擬彈簧單元(Matrix27單元)組成的擬三維創(chuàng)成空間模型，其中殼單元用來模擬機(jī)床支撐件的外圍壁板而虛擬彈簧單元?jiǎng)t用來模擬機(jī)床支撐件的內(nèi)部筋板。根據(jù)機(jī)床支撐件的承載關(guān)系，選定其中一個(gè)外圍壁板作為承載面，并將承載面設(shè)定為內(nèi)部筋板投影構(gòu)型的創(chuàng)成空間。在承載面上相鄰殼單元節(jié)點(diǎn)之間添加與殼單元節(jié)點(diǎn)相互耦合的梁單元(假設(shè)梁單元橫截面為矩形截面，截面寬:b，截面高:h)。(2)承載面上筋板投影構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成基于機(jī)床支撐件的有限元擬三維創(chuàng)成空間模型的構(gòu)建，將支撐件內(nèi)部筋板布局形態(tài)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)為其在承載面投影構(gòu)型的創(chuàng)成問題，具體反映為以承載面上梁單元截面高度h為設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化過程。通過優(yōu)化改變設(shè)計(jì)變量的值，實(shí)施梁單元增長過程中的分叉與退化操作，實(shí)現(xiàn)承載面投影構(gòu)型的最優(yōu)創(chuàng)成。由于截面高度h是唯一決定梁單元重量的幾何尺寸，則自適應(yīng)創(chuàng)成過程的實(shí)質(zhì)為材料(重量)的最優(yōu)分配，其整個(gè)優(yōu)化過程的數(shù)學(xué)模型如下:設(shè)計(jì)變量=W=Lff1,W2,...，WJ目標(biāo)函數(shù):總應(yīng)變能最小Minf(W)約束條件:Wsum≤W。IV； > W: > ,F/，/ = l，2，...，:V其中，f (W)是支撐件結(jié)構(gòu)模型的總應(yīng)變能，Wsuffl是支撐件結(jié)構(gòu)模型的總質(zhì)量，W0是預(yù)先給定的支撐件結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量上限，Wi是第i個(gè)設(shè)計(jì)變量，N是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，表示
上限值，呎I表示W(wǎng)i的下限值。其具體步驟如下:I)依據(jù)機(jī)床支撐件的實(shí)際安裝約束和受載情況，對構(gòu)建的擬三維創(chuàng)成空間模型施加邊界約束以及載荷。2)定義求解類型為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，求解初始化模型，設(shè)定分析的顯示結(jié)果為等效應(yīng)力，計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的總應(yīng)變能。3)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)變量參數(shù)h和結(jié)構(gòu)變形總應(yīng)變能的值。4)設(shè)定結(jié)構(gòu)自適應(yīng)智能優(yōu)化的約束參數(shù)\，即整個(gè)結(jié)構(gòu)材料總重量的上限。設(shè)定結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中每次循環(huán)迭代給定的材料增量AW。設(shè)定競爭梁單元的分叉閾值hb以及退化閾值hd。5)選取承載面上初始應(yīng)變能相對較高的若干點(diǎn)為創(chuàng)成起始點(diǎn)。選定的點(diǎn)被包含在創(chuàng)成點(diǎn)集合{B}中，創(chuàng)成點(diǎn)四周可增長的梁單元包含于準(zhǔn)備競爭增長的梁單元(競爭梁單兀)集合{C}中。6)每一次循環(huán)迭代，集合{C}中參與競爭的各個(gè)梁單元的重量按照相應(yīng)的廣義靈敏度D值正比分配材料增量AW，實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)分配。各競爭梁單元增長后的重量迭代計(jì)算準(zhǔn)則如下:
權(quán)利要求
1.一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包含下述具體步驟: 1)擬三維創(chuàng)成空間模型構(gòu)建 將機(jī)床支撐件結(jié)構(gòu)簡化為內(nèi)部筋板與外圍壁板的組合體，將組合體進(jìn)一步抽象為由殼單元與虛擬彈簧單元組成的擬三維創(chuàng)成空間模型，其中殼單元用來模擬機(jī)床支撐件的外圍壁板而虛擬彈簧單元?jiǎng)t用來模擬機(jī)床支撐件的內(nèi)部筋板，根據(jù)機(jī)床支撐件的承載關(guān)系，選定其中一個(gè)外圍壁板作為承載面，并將承載面設(shè)定為內(nèi)部筋板投影構(gòu)型的創(chuàng)成空間，在承載面上相鄰殼單元節(jié)點(diǎn)之間添加與殼單元節(jié)點(diǎn)相互耦合的梁單元； 2)承載面上筋板投影構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成 以承載面上梁單元截面高度h為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化改變設(shè)計(jì)變量的值，實(shí)施梁單元增長過程中的分叉與退化操作，實(shí)現(xiàn)承載面投影構(gòu)型的最優(yōu)創(chuàng)成，由于截面高度h是唯一決定梁單元重量的幾何尺寸，則自適應(yīng)創(chuàng)成過程的實(shí)質(zhì)為材料的最優(yōu)分配，整個(gè)優(yōu)化過程的數(shù)學(xué)模型如下: 設(shè)計(jì)變量,[H…，Wn] 目標(biāo)函數(shù):總應(yīng)變能最小Minf(W)約束條件=Wsuffl ≤ W0 Wtu > Wi > WilJ = 1,2,...,N 其中，m是支撐件結(jié)構(gòu)模型的總應(yīng)變能，Wsuffl是支撐件結(jié)構(gòu)模型的總質(zhì)量，wn是預(yù)先給定的支撐件結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量上限，Wi是第i個(gè)設(shè)計(jì)變量，N是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)W 1表示W(wǎng)i的上限值忙表示W(wǎng)i的下限值； 3)機(jī)床支撐件筋板布局的后處理 經(jīng)過步驟2)后，去除擬三維創(chuàng)成空間模型的虛擬彈簧單元，將承載面上的最優(yōu)投影構(gòu)型沿某一方向做拉伸處理，獲得機(jī)床支撐件內(nèi)部筋板的結(jié)構(gòu)布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法，其特征在于:所述承載面上筋板投影構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成，具體步驟如下: 1)依據(jù)機(jī)床支撐件的實(shí)際安裝約束和受載情況，對構(gòu)建的擬三維創(chuàng)成空間模型施加邊界約束以及載荷； 2)定義求解類型為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，求解初始化模型，設(shè)定分析的顯示結(jié)果為等效應(yīng)力，計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的總應(yīng)變能； 3)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)變量參數(shù)h和結(jié)構(gòu)變形總應(yīng)變能的值； 4)設(shè)定結(jié)構(gòu)自適應(yīng)智能優(yōu)化的約束參數(shù)\，設(shè)定結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中每次循環(huán)迭代給定的材料增量△ W，設(shè)定競爭梁單元的分叉閾值hb以及退化閾值hd ； 5)選取承載面上初始應(yīng)變能相對較高的若干點(diǎn)為創(chuàng)成起始點(diǎn)，選定的點(diǎn)被包含在創(chuàng)成點(diǎn)集合{B}中，創(chuàng)成點(diǎn)四周可增長的梁單元包含于準(zhǔn)備競爭增長的梁單元集合{C}中； 6)每一次循環(huán)迭代，集合{C}中參與競爭的各個(gè)梁單元的重量按照相應(yīng)的廣義靈敏度D值正比分配材料增量AW，實(shí)現(xiàn)材料的最優(yōu)分配，各競爭梁單元增長后的重量迭代計(jì)算準(zhǔn)則如下:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向高比剛度的機(jī)床支撐件筋板布局智能化設(shè)計(jì)方法，具體步驟是前處理構(gòu)建機(jī)床支撐件的擬三維創(chuàng)成空間模型；自適應(yīng)創(chuàng)成獲得機(jī)床支撐件內(nèi)部筋板在承載面上投影的最優(yōu)布局；后處理將機(jī)床支撐件承載面上的投影構(gòu)型沿某一指定方向做拉伸處理，從而最終獲得機(jī)床支撐件的內(nèi)部筋板布局設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明通過建立承載構(gòu)型的自適應(yīng)創(chuàng)成準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床支撐件的高比剛度設(shè)計(jì)，滿足低碳節(jié)材要求，可廣泛用于重型、超重型制造裝備承載構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
文檔編號G06F17/50GK103235851SQ201310136689
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者李寶童, 洪軍, 邱志惠, 王哲琳, 閆素娜, 張 浩 申請人:西安交通大學(xué)