单位文秘网 2022-02-16 08:09:34 点击: 次
企业,已经成为各个行业不可取代的机械设备,斗轮堆取料机简图如图1。我国对其研究可以分成三个阶段,在20世纪60、70年代,我国首次对斗轮堆取料机进行研制,发明出能够取料300t/h以及800t/h,回转半径为25米以及30米的小型机械设备。
在20世纪80、90年代,我国就能够生产出取料2000t/h、回转半径为40米的斗轮堆取料机,其广泛应用于各个行业,但是受到我国当时的技术限制,很多能够生产这种机械设备的企业多是中外合资。在进入21世纪后,由于我国技术的不断提高,中小型斗轮堆取料机在已经完全能够自主生产的情况下,进而研究出了大型机械,我国的生产厂家已经完全掌握了其生产技术要求。随着先进技术的出现,对其进行优化设计使性能更加完善,这也是各个行业所关注的问题。
斗轮堆取料机的上部钢结构C型梁是和回转支承连接在一起的,整个机械进行回转时主要是通过其绕回转中心进行运动从而带动上部钢结构的整体转动。所以C型梁的质量问题对于整个斗轮堆取料机的工作情况都有非常大的影响,因此针对C型梁进行参数化优化设计具有非常大的意义。
1斗轮堆取料机上部钢结构C型梁参数化设计
1.1 参数化设计流程
大型机械一般都是由非常多的零部件组成,这些零部件之间又是相互作用的,这就导致零部件在出现问题时,进行修改要损耗非常多的人力、物力,使整个设计过程更加漫长。所以针对这种大型机械设备而言,使用参数化设计更为重要。
参数化设计就是在三维模型建模过程中能够随着参数的改变而发生改变。在进行参数化设计时要结合Inventor软件设计平台进行工作,首先要把设计结构确定出来,再对这些结构进行科学系统的分析。
在这些工作完成后,就要进行框架搭建工作,然后针对零部件进行建模,在建模过程中如果有些零部件的参数没有详细地给出,就要求设计人员结合实际情况进行补充,还要求把这些参数详细地添加到参数表中,然后进行衍生以及链接工作。这些工作完成后,就可以把创建的零部件进行系统的拼接,使其能够组装成一个完整的构件。再针对这个大型构件进行核对确定其是否符合要求。
以上是针对零部件的三维建模工作,在这些工作完成后,还要对整个装置进行二维工程图绘制,通过将三维图进行投影就可以得到二维工程图,针对这些二维工程图进行调试以及核对,确定没有问题后就可以进行最后的可视化界面创建工作,具体工作流程图如图2。
1.2参数化设计方法
相比于过去的设计方法,参数化设计方法是一种可以把最顶端的产品的结构以及参数等非常关键的信息进行首先考虑,然后再把这些信息传输到各个相关的子系统中的自上而下的设计方法。这种设计方法可以依据最重要的设计要求进行参数框架设计,在完成总体框架以后再进行下级框架的细化。
在设计过程中通过运用这种自上而下的参数化设计方法,可以在构建总体模型的过程中,清晰地表现出各个部位的装配以及定位等重要的信息。在实际运用过程中这种参数化设计具有以下非常明显的特点:
①这种设计方法非常适合机械构件设计过程时整体设计思路,可以确保与整体设计思路相同,然后再进行下级设计步骤并进行优化,使最后设计出来的构件能够满足设计要求。
②这种设计方法在确保设计要求的情况下,又可以使每一个零部件相对独立,在进行修改过程时可以相互独立,不必担心更改一个零部件的参数就会影响整个结构的情况。
③这种设计方法可以使设计人员由易到难,逐渐增加设计的内容,不用担心设计人员设计过程中遇到难以下手的情况,并且这种方式更适用于复杂的机械设备设计。
④这种设计方法还可以在整个结构设计完成后,如果某个零部件设计参数出现问题,可以随意地进行修改,对于设计的优化更加方便。
⑤这种设计方法拥有持续性,在设计过程时累积到相对多的模型后,就会形成整个产品的设计库,这样就能够保证设计出来的模型得到充分运用。
⑥这种设计方法最重要的特点就是在保证设计要求的情况下,其设计时间被大大减少,整个设计过程可以通过对部分控制参数进行调整,就能够使三维模型快速的生成二维工程图,从而降低了整个设计过程中所需要的时间和成本。
2斗轮堆取料机上部钢结构C型梁多目标优化设计
斗轮堆取料机上部钢结构C型梁的质量非常大、设计结构也相对比较复杂,这就给参数化设计带来了很大不便,所以在其设计完成后要针对其各个部件进行有限元分析,并且在设计开始阶段要对其结构进行力学分析,使其设计出来的C型梁能够更加轻便,并能保证工作时的安全性以及稳定性。通过对各个构件进行机械优化设计可以很大程度地改善C型梁的性能,这种优化设计主要是能够科学、准确地根据实际情况建立数学模型,然后选取出合适的方法进行求解,并且能够得到最优解。在进行优化设计过程中要对其要求的设计变量、目标函数以及约束条件进行科学的选取,使其能够准确地表现出实际情况,同时还要对优化数学表达进行准确地建立,再选择合适的方法进行计算。
2.1设计变量的确定
针对上部钢结构C型梁进行多目标优化设计,首先需要重点注意创建正确的优化模型、选择准确的设计变量以及采用合适的优化方法,优化设计结果的可靠性和准确性往往取决于这些重点事项。其次通过简化目标对象的数学模型,获得关键的设计参数,并以此确定设计变量,同时规定设计变量的取值范围以缩短计算过程。如果某些设计参数依据行业规范或者设计要求不能变动,或者目标函数对某些设计参数的变化并不敏感,那么这些设计参数将不会被考虑选择为设计变量。通常这些设计参数之间会存在一定的函数关系,这时就要将这些函数关系加以简化,找到对目标函数影响最大的关键因素,将其确定为设计变量,如图3。
2.2目标函数的确立
目标函数作为设计变量的函数,是一个设计方案目标值的数学表达式。合理地确定目标函数以及数学表达式是优化设计过程中的重要环节之一。因为C型梁对于上部钢结构乃至整机来说属于关键的零部件,因此选择C型梁的质量作为目标函数之一也是相当合理的。
由C型梁的模态分析结果可知,C型梁的第6阶模态振型,主要位移集中于横梁,如果固有频率过低,将会导致C型梁发生较大的抖动,影响机构的稳定性,产生较大的机械动载。因此,经过分析选择C型梁的 第6阶模态固有频率作为另一个目标函数也是妥当的,对固有频率的优化能稳定提升C型梁的动态力学性能。因此选择C型梁的质量和固有频率作为目标函数并建立优化设计模型。
2.3优化方法的选取
多目标优化设计和单目标优化设计相比,其工作过程中要同时对几个目标函数优化,使其工作过程更加复杂。在运用多目标优化设计时,可能其优化的目标之间具有负联系,这就导致优化过程在满足一个优化目标时就不能满足另一个,所以运用这种优化是没有办法得到单一最优解的。
针对这种情况,相关的设计人员进行了研究工作,找到了很多方法进行解决,大体上分为两类:其中一类是可以把多目标优化问题进行转换,使复杂的问题分为多个或者一系列的单目标问题,然后再进行求解工作;另外一类就是把一组解集依据设计要求选取出一个最优解。
具体的方法可以分为以下四种:统一目标函数法、主要目标函数法、协调曲线法和分层目标法。其中的分层目标法可以根据子目标函数的重要程度进行排列,然后再依据重要程度对其依次优化,这样就可以使优化出来的重要程度最低的子目标函数的最优解就是整个优化结果的最优解。
以上部钢结构C型梁及其优化设计模型为例,基于ANSYS软件的优化特点,考虑选择分层目标法作为本文的多目标优化设计方法,即首先确定以质量为目标函数的优化过程,在求解集中进一步进行以6阶模态固有频率为目标函数的优化选择。
3结语
斗轮堆取料机作为许多行业运用的非常重要的机械设备,相关企业对其更加关注,并且也对其要求更加严格。而斗轮堆取料机上部钢结构C型梁作为整个机械设备中最重要的部分,在其设计过程中进行参数化设计以及优化处理可以在很大程度上提高C型梁的性能,从而提高斗轮堆取料机的工作性能。
本文针对其上部钢结构C型梁的参数化设计进行了简单介绍,并对其选用的方法以及这种方法的优点进行了详细阐述,使相关企业能够更加清晰地了解参数化设计。其次,针对参数化设计的优化设计进行了简单介绍,包括多目标优化设计的优点和优化方法的选取。
通过本文,我们对斗轮堆取料机的参数化设计以及优化技术有了更加深刻地理解,我希望这篇文章能够对这方面的研究工作起到些许作用。
參考文献:
[1] 武帅, 郭瑞琴, 李中等. 斗轮堆取料机斗轮体结构分析与优化设计[J]. 机械设计与制造, 2014(11).
[2] 肖艳军, 孟照建, 梁新宇等. 斗轮堆取料机俯仰液压系统设计与优化[J]. 机床与液压, 2013(16).
[3] 张起伟, 张宝国. 基于Inventor的斗轮堆取料机关键零部件的参数化设计[C]. 物流工程学术年会. 2008.
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