本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是涉及一種產(chǎn)品的輕量化拓?fù)浞椒八核闄C(jī)刀盤。
背景技術(shù)：
：結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是讓設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)從材料上更經(jīng)濟(jì),從結(jié)構(gòu)上力的分布更合理。其內(nèi)容包含了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化,形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化,而拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中更為重要的方面,結(jié)構(gòu)拓?fù)涞母倪M(jìn)可以大大改善結(jié)構(gòu)的性能或減輕結(jié)構(gòu)的重量,帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益,因此選擇結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題作為研究方向,具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。目前，拓?fù)鋬?yōu)化方法有均勻化方法(homogenizationmethod),變密度法,變厚度法(variablethicknessmethod),漸進(jìn)法(evolutionarystructuraloptimization(ESO)method)和BESO方法等，其中BESO方法是在ESO方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了提高，BESO方法不僅能夠刪除單元也可以恢復(fù)單元。ESO方法最早是由Xie和Steven提出的，主要是通過(guò)不斷地減少材料使得最終剩下的材料達(dá)到所設(shè)的約束條件。BESO方法最早是由Querinetal提出的，是對(duì)ESO方法的改進(jìn)，通過(guò)刪除或恢復(fù)單元使得最終的體積滿足約束條件,這種方法終止迭代的條件是沒(méi)有應(yīng)力更小的單元，所以這種方法可以保證結(jié)構(gòu)的剛度，并且拓?fù)浣Y(jié)果的幾何尺寸可以清楚地計(jì)算出來(lái)。然而這種方法是一種演化方法,所以它的迭代次數(shù)較多,計(jì)算效率與SIMP方法相比效率較低，此外,雖然Tanskanen討論了ESO的理論基礎(chǔ),但是它的算法的收斂性還沒(méi)有得到證明，這也使得BESO方法不穩(wěn)定容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。拓?fù)鋬?yōu)化在輕量化產(chǎn)品方面起著重要的作用，而撕碎機(jī)刀盤直徑為450mm,厚度是50mm,對(duì)它進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化使其輕量化可以在不降低撕碎機(jī)撕碎效能的情況下增加整個(gè)撕碎機(jī)的壽命，以及改善主軸的受力，從而減少撕碎機(jī)的能耗。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種產(chǎn)品的輕量化拓?fù)浞椒ā１景l(fā)明的目的在于公開(kāi)了一種利用所述的產(chǎn)品輕量化拓?fù)浞椒ㄖ频玫乃核闄C(jī)刀盤。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是：一種產(chǎn)品輕量化的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，包括以下步驟，1)對(duì)產(chǎn)品建模并將給定的設(shè)計(jì)區(qū)域用有限網(wǎng)格離散化并設(shè)定單元屬性值及初始邊界條件和初始載荷；2)進(jìn)行有限元分析獲得單元和節(jié)點(diǎn)的靈敏度數(shù)據(jù)；3)設(shè)定一個(gè)體積百分?jǐn)?shù)的最小值a；4)在整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域?qū)?jié)點(diǎn)靈敏度數(shù)據(jù)進(jìn)行柔順化；即把每個(gè)單元的靈敏度值重新進(jìn)行排序，通過(guò)靈敏度來(lái)決定刪不刪單元，靈敏度大的不刪，5)按照式計(jì)算當(dāng)前靈敏度數(shù)據(jù)和上一迭代步靈敏度數(shù)據(jù)的平均值，并保存給下一迭代步使用，其中αi指第i個(gè)單元的靈敏度，k是當(dāng)前的迭代次數(shù)；6)確定下一迭代步的目標(biāo)體積；一次迭代就會(huì)刪除一些單元，多次迭代接近目標(biāo)體積；7)重新確定單元的屬性值；利用新的單元屬性值修正設(shè)計(jì)并作為下一步迭代的有限元分析模型；8)重復(fù)執(zhí)行2)-7)步，直到達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)體積且滿足收斂準(zhǔn)則，即達(dá)到設(shè)定的最小體積百分?jǐn)?shù)a的體積要求，9)在第一個(gè)初始體積百分?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)值為m的體積百分?jǐn)?shù)進(jìn)行第二次計(jì)算重復(fù)執(zhí)行3)-8),直到滿足εr小于0.1；10)將步驟9)得出的拓?fù)涞捏w積百分?jǐn)?shù)和迭代次數(shù)輸入BESO模型中并得到最終的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明給出了一個(gè)普遍使用的優(yōu)化參數(shù)約束方法，可以通過(guò)理論算法直接得出合理的體積百分?jǐn)?shù)而不是人為的嘗試，縮短了設(shè)計(jì)周期，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)這周方法的優(yōu)點(diǎn)更加突出，該方法可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精度的不同調(diào)整參數(shù)，如初始的體積百分?jǐn)?shù)a，體積百分?jǐn)?shù)增量，以及εr的值，所以該方法對(duì)大多數(shù)拓?fù)渌惴ǘ歼m用。所述的步驟2)-9)的計(jì)算方法為：MinxC(x)=FTU=UTKU---(1)]]>Subjectto:X={xe},xe=1orxmin∀e=1,Λ,N---(2)]]>F＝KU(3)V(X)=ΣXxeve=V*---(4)]]>|Vr′*-V*|≤0.0001---(5)]]>t＝r'(6)e=|Σi=1N(Ck-i+1-Ck-t-i+1)|Σi=1NCK-i+1≤τ---(7)]]>V*＝fV0(8)其中r＝1,2,3,Λ,N(9)f＝a+rm(10)F和U分別表示負(fù)載矢量和位移矢量；C是柔度；xe是第e個(gè)設(shè)計(jì)變量，實(shí)體單元為1，空單元取0.001；N是單元的總個(gè)數(shù)；K是整體剛度矩陣；f是體積百分?jǐn)?shù)；m為體積百分?jǐn)?shù)增量，其大致與設(shè)計(jì)精度有關(guān)，精度越高其值越?。籸為計(jì)算次數(shù)；εr表示的是第r次計(jì)算時(shí)的兩個(gè)相鄰體積百分?jǐn)?shù)差值的變化與最大柔度差的比值；r'表示的是在滿足公式(5)時(shí)的迭代次數(shù)，t表示滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的迭代次數(shù)；k表示的是當(dāng)前的迭代次數(shù)；i表示單元編號(hào)；a表示的是一個(gè)初始的最小體積百分?jǐn)?shù)。優(yōu)選地，所述的產(chǎn)品為撕碎機(jī)的刀盤，本發(fā)明給出了適用于撕碎機(jī)刀盤的相鄰體積百分?jǐn)?shù)的差值與最大柔度差的比值0.1，在相鄰體積百分?jǐn)?shù)的差值與最大柔度差的比值小于0.1時(shí)撕碎機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)能夠在滿足剛度的條件下最大限度的減小體積，達(dá)到綠色生產(chǎn)的效果。優(yōu)選地，在所述的步驟9)中利用Python程序?qū)Ⅲw積百分?jǐn)?shù)和迭代次數(shù)賦給BESO模型以提高BESO效率。一種撕碎機(jī)刀盤，包括盤體和與所述的盤體固定連接的撕碎刃,所述的盤體包括圓環(huán)形連接盤以及多個(gè)與所述的連接盤一體形成且均布在連接盤環(huán)周的刀座,所述的盤體前后兩側(cè)面分別對(duì)應(yīng)地設(shè)置有凹槽。在所述的刀座的根部對(duì)應(yīng)的連接盤上形成有貫通孔。所述的連接盤中部為正多邊形孔以與對(duì)應(yīng)的多邊形軸傳動(dòng)連接。所述的貫通孔為圓形。所述的刀座為6個(gè)。所述的刀座與連接盤設(shè)置在同一平面內(nèi)，所述的刀座呈三角形且與連接盤的徑向保持夾角，在刀座的外端部?jī)?nèi)側(cè)形成有連接面，所述的刀座的背部為弧形。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明給出了一個(gè)普遍使用的優(yōu)化參數(shù)約束方法，可以通過(guò)理論算法直接得出合理的體積百分?jǐn)?shù)而不是人為的嘗試，縮短了設(shè)計(jì)周期，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)這周方法的優(yōu)點(diǎn)更加突出，該方法可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精度的不同調(diào)整參數(shù)，如初始的體積百分?jǐn)?shù)a，體積百分?jǐn)?shù)增加量，以及εr的值，所以該方法對(duì)大多數(shù)拓?fù)渌惴ǘ歼m用。附圖說(shuō)明圖1所示為本發(fā)明的刀盤建模示意圖；圖2所示為拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為體積百分?jǐn)?shù)和形變量關(guān)系圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明將以以下公式為具體實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步描述。MinxC(x)=FTU=UTKU---(1)]]>Subjectto:X={xe},xe=1orxmin∀e=1,Λ,N---(2)]]>F＝KU(3)V(X)=ΣXxeve=V*---(4)]]>|Vr′*-V*|≤0.0001---(5)]]>t＝r'(6)e=|Σi=1N(Ck-i+1-Ck-t-i+1)|Σi=1NCK-i+1≤τ---(7)]]>V*＝fV0(8)其中r＝1,2,3,Λ,n(9)f＝a+rm(10)F和U分別表示負(fù)載矢量和位移矢量；C是柔度；xe是第e個(gè)設(shè)計(jì)變量，實(shí)體單元為1，空單元取0.001；N是單元的總個(gè)數(shù)；K是整體剛度矩陣；f是體積百分?jǐn)?shù)；m為體積百分?jǐn)?shù)增量，其與設(shè)計(jì)精度有關(guān)，精度越高其值越??；r為計(jì)算次數(shù)；ε為兩個(gè)相鄰體積百分?jǐn)?shù)差值的變化與最大柔度差的比值；εr表示的是第r次計(jì)算時(shí)的兩個(gè)相鄰體積百分?jǐn)?shù)差值的變化與最大柔度差的比值；r'表示的是在滿足公式(5)時(shí)的迭代次數(shù)，t表示滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的迭代次數(shù)；k表示的是當(dāng)前的迭代次數(shù)；i表示單元編號(hào)；a表示的是一個(gè)初始的最小體積百分?jǐn)?shù)。具體來(lái)說(shuō)，包括以下步驟1、利用有限元軟件ABAQUS對(duì)刀盤進(jìn)行建模，刀盤的尺寸參照刀盤的厚度為50mm，刀盤的材料為42CrMo其具體參數(shù)見(jiàn)表1，表1刀盤材料參數(shù)約束條件為固定刀盤內(nèi)圈，如圖1所示內(nèi)部三角形所指部分為幾何約束部分，外部箭頭表示的是加載部分，載荷的大小根據(jù)對(duì)撕碎機(jī)的動(dòng)態(tài)模擬得出，撕碎機(jī)撕碎汽車板的過(guò)程，汽車板的材料為6111鋁合金，厚度為8mm，分析在撕碎機(jī)撕碎過(guò)程中刀盤的受力狀況，選出刀盤每一部分受力最大的負(fù)載，使用最大負(fù)載對(duì)有限元模型進(jìn)行加載，以確保拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的可靠性，載荷大小在下表中具體給出。對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型劃分為10182個(gè)單元，13055個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用C3D8R單元類型，8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，縮減積分，沙漏控制。2、運(yùn)行程序得出優(yōu)化參數(shù)利用Python程序不斷循環(huán)的執(zhí)行方程(6)-(8)得出一個(gè)可以使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的迭代次數(shù)，循環(huán)求解(9)，(10)兩個(gè)式子可以得出優(yōu)化的體積百分?jǐn)?shù)，下面所示為以撕碎機(jī)刀盤為例得出柔度的數(shù)據(jù)，程序會(huì)在體積百分?jǐn)?shù)在65％停止，下列數(shù)據(jù)僅為了說(shuō)明差值變化率小于0.1開(kāi)始柔度變化開(kāi)始變小，根據(jù)式(10)可以得出最優(yōu)體積百分?jǐn)?shù)為65％，即在滿足有足夠剛度時(shí)同時(shí)滿足體積最小，從而達(dá)到輕量化的目的，為了驗(yàn)證式(10)的正確性我們調(diào)出每個(gè)體積百分?jǐn)?shù)形變量的值，如下表和圖3所示,發(fā)現(xiàn)當(dāng)體積百分?jǐn)?shù)為65％時(shí)形變量的變化開(kāi)始變小說(shuō)明剛度的變化減小，說(shuō)明體積百分?jǐn)?shù)為65％時(shí)是合適的。3拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)該算法以BESO拓?fù)鋬?yōu)化方法為基礎(chǔ)增加了對(duì)優(yōu)化參數(shù)的約束，該算法便于編寫(xiě)程序，并且和ABAQUS軟件有很好的相容性，利用Python程序?qū)崿F(xiàn)該計(jì)算，其中體積約束用字母VolFrac，迭代次數(shù)用iter表示，在ABAQUS/CAE模塊中導(dǎo)入該程序，即得到最終的優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種新的拓?fù)鋬?yōu)化算法，該算法以BESO拓?fù)鋬?yōu)化方法為基礎(chǔ)增加了對(duì)參數(shù)的約束，減少人工取選擇參數(shù)的盲目性和誤差，從而提高拓?fù)鋬?yōu)化的效率，加快優(yōu)化過(guò)程，并減少優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，增加設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí)作為其一種具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種新的轎車撕碎機(jī)刀盤，它比原始刀盤的體積減小了23％，并且從理論上驗(yàn)證了它的剛度以及強(qiáng)度都在許可范圍內(nèi)。如圖2所示，本發(fā)明的刀盤包括圓環(huán)形盤體1和與所述的盤體固定連接的撕碎刃,所述的盤體1包括圓環(huán)形連接盤10以及多個(gè)與所述的連接盤一體形成且均布在連接盤環(huán)周的刀座11,所述的盤體前后兩側(cè)面分別對(duì)應(yīng)地設(shè)置有凹槽12，在所述的刀座11的根部對(duì)應(yīng)的連接盤上形成有圓形貫通孔13。本發(fā)明的刀盤，在前后兩側(cè)面分別設(shè)置有掏空式的凹槽，即，在連接盤和刀座上形成一個(gè)連通式凹槽，有效減輕了整體體積，而且結(jié)合受力分析，將受力較小的刀座根部對(duì)應(yīng)的連接盤上開(kāi)設(shè)貫通孔，進(jìn)一步減少刀盤重量，而且貫通孔的設(shè)置方便加工定位，有效防止出現(xiàn)動(dòng)不平衡現(xiàn)象的出現(xiàn)。具體地說(shuō)，所述的刀座為6個(gè)所述的連接盤中部為正多邊形孔以與對(duì)應(yīng)的多邊形軸，如六邊形軸傳動(dòng)連接，采用刀座與軸套設(shè)式方式，傳動(dòng)穩(wěn)定可靠且維修保養(yǎng)便利。其中，為便于提供撕碎刃更好的切割角度，所述的刀座與連接盤設(shè)置在同一平面內(nèi)，所述的刀座呈三角形且與連接盤的徑向保持夾角，即，刀座相對(duì)朝一個(gè)方向傾斜設(shè)置，在刀座的外端部?jī)?nèi)側(cè)形成有連接面14，所述的撕碎刃固定設(shè)置在連接面上，利用相當(dāng)向內(nèi)傾斜的連接面固定安裝撕碎刃，撕碎刃受力時(shí)徑向形變小，有效提高使用壽命。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3