专利名称：一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法
技术领域：
本发明属于重型、超重型制造装备承载件优化设计方法，特别涉及一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法。
背景技术：
当前低碳环保的高效生产方式促使人们在重型、超重型制造装备的开发过程中对于如何更好地实现“低碳转身”这一难题不断做出深入思考，而这一思考恰恰生动地反映出人们在对于诸如数控机床支撑件等关键结构的综合性能要求上，由以往变形意义下的“高刚度层面”向未来低碳意义下的“高刚比层面”的深刻转变。在现有的重型、超重型制造装备承载结构的设计过程中，大多采用传统筋板布置形式，主要集中在井字形、米字型等或者以上形式的组合，设计形式过于单一，无法获得具有高比刚度的设计方案。与此同时，现有筋板布局设计方法主要依赖于经典力学以及设计人员经验，通过反复修改以获得最终方案，整个设计过程无法实现智能化与自动化，导致设计效率低下，无法满足现代大型复杂装备的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法。为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，通过建立承载构型的自适应创成准则，将筋板布局设计问题转化为支撑件筋板在特定承载面上的投影构型的自适应创成问题，包含以下步骤:( I)拟三维创成空间模型构建在不影响结构功能和设计要求下，将机床支撑件结构简化为内部筋板与外围壁板的组合体。为了提高设计模型的数值适应性，将上述组合体进一步抽象为由壳单元与虚拟弹簧单元(Matrix27单元)组成的拟三维创成空间模型，其中壳单元用来模拟机床支撑件的外围壁板而虚拟弹簧单元则用来模拟机床支撑件的内部筋板。根据机床支撑件的承载关系，选定其中一个外围壁板作为承载面，并将承载面设定为内部筋板投影构型的创成空间。在承载面上相邻壳单元节点之间添加与壳单元节点相互耦合的梁单元(假设梁单元横截面为矩形截面，截面宽:b，截面高:h)。(2)承载面上筋板投影构型的自适应创成基于机床支撑件的有限元拟三维创成空间模型的构建，将支撑件内部筋板布局形态的优化问题转为其在承载面投影构型的创成问题，具体反映为以承载面上梁单元截面高度h为设计变量的优化过程。通过优化改变设计变量的值，实施梁单元增长过程中的分叉与退化操作，实现承载面投影构型的最优创成。由于截面高度h是唯一决定梁单元重量的几何尺寸，则自适应创成过程的实质为材料(重量)的最优分配，其整个优化过程的数学模型如下:设计变量=W=DV1,W2,…，Wn]目标函数:总应变能最小Minf(W)约束条件:Wsum彡W。W:: > Wi > W: J = \’2….,N其中，f (W)是支撑件结构模型的总应变能，Wsum是支撑件结构模型的总质量，W0是预先给定的支撑件结构模型质量上限，Wi是第i个设计变量，N是设计变量的个数，表示
上限值，忙表示Wi的下限值。其具体步骤如下:1)依据机床支撑件的实际安装约束和受载情况，对构建的拟三维创成空间模型施加边界约束以及载荷。2)定义求解类型为结构静力学分析，求解初始化模型，设定分析的显示结果为等效应力，计算结构变形的总应变能。3)存储设计变量参数h和结构变形总应变能的值。4)设定结构自适应智能优化的约束参数\，即整个结构材料总重量的上限。设定结构优化过程中每次循环迭代给定的材料增量AW。设定竞争梁单元的分叉阈值hb以及退化阈值hd。5)选取承载面上初始应变能相对较高的若干点为创成起始点。选定的点被包含在创成点集合{B}中，创成点四周可增长的梁单元包含于准备竞争增长的梁单元(竞争梁单兀)集合{C}中。6)每一次循环迭代，集合{C}中参与竞争的各个梁单元的重量按照相应的广义灵敏度D值正比分配材料增量Λ W，实现材料的最优分配。各竞争梁单元增长后的重量迭代计算准则如下:
权利要求
1.一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，其特征在于包含下述具体步骤: 1)拟三维创成空间模型构建 将机床支撑件结构简化为内部筋板与外围壁板的组合体，将组合体进一步抽象为由壳单元与虚拟弹簧单元组成的拟三维创成空间模型，其中壳单元用来模拟机床支撑件的外围壁板而虚拟弹簧单元则用来模拟机床支撑件的内部筋板，根据机床支撑件的承载关系，选定其中一个外围壁板作为承载面，并将承载面设定为内部筋板投影构型的创成空间，在承载面上相邻壳单元节点之间添加与壳单元节点相互耦合的梁单元； 2)承载面上筋板投影构型的自适应创成 以承载面上梁单元截面高度h为设计变量进行优化，通过优化改变设计变量的值，实施梁单元增长过程中的分叉与退化操作，实现承载面投影构型的最优创成，由于截面高度h是唯一决定梁单元重量的几何尺寸，则自适应创成过程的实质为材料的最优分配，整个优化过程的数学模型如下: 设计变量:W= [W1, W2,…，Wn] 目标函数:总应变能最小Minf(W) 约束条件Wsum≤ W0Wtu > Wi > WLi,i = 1,2,…,N 其中，W)是支撑件结构模型的总应变能，Wsum是支撑件结构模型的总质量，W0是预先给定的支撑件结构模型质量上限，Wi是第i个设计变量，N是设计变量的个数，Mui表示Wi的上限值，WLi表示Wi的下限值； 3)机床支撑件筋板布局的后处理 经过步骤2)后，去除拟三维创成空间模型的虚拟弹簧单元，将承载面上的最优投影构型沿某一方向做拉伸处理，获得机床支撑件内部筋板的结构布局。
2.根据权利要求1所述一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，其特征在于:所述承载面上筋板投影构型的自适应创成，具体步骤如下: 1)依据机床支撑件的实际安装约束和受载情况，对构建的拟三维创成空间模型施加边界约束以及载荷； 2)定义求解类型为结构静力学分析，求解初始化模型，设定分析的显示结果为等效应力，计算结构变形的总应变能； 3)存储设计变量参数h和结构变形总应变能的值； 4)设定结构自适应智能优化的约束参数\，设定结构优化过程中每次循环迭代给定的材料增量△ W，设定竞争梁单元的分叉阈值hb以及退化阈值hd ； .5 )选取承载面上初始应变能相对较高的若干点为创成起始点，选定的点被包含在创成点集合{B}中，创成点四周可增长的梁单元包含于准备竞争增长的梁单元集合{C}中； 6)每一次循环迭代，集合{C}中参与竞争的各个梁单元的重量按照相应的广义灵敏度D值正比分配材料增量ΔW，实现材料的最优分配，各竞争梁单元增长后的重量迭代计算准则如下:
全文摘要
本发明公开了一种面向高比刚度的机床支撑件筋板布局智能化设计方法，具体步骤是前处理构建机床支撑件的拟三维创成空间模型；自适应创成获得机床支撑件内部筋板在承载面上投影的最优布局；后处理将机床支撑件承载面上的投影构型沿某一指定方向做拉伸处理，从而最终获得机床支撑件的内部筋板布局设计方案。本发明通过建立承载构型的自适应创成准则，实现了机床支撑件的高比刚度设计，满足低碳节材要求，可广泛用于重型、超重型制造装备承载构型的优化设计。
文档编号G06F19/00GK103106337SQ20131000283
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者李宝童, 洪军, 邱志惠, 王哲琳, 闫素娜, 张 浩 申请人:西安交通大学