一种皮带轮结构生成方法和系统与流程

本发明涉及传动机构技术领域，具体涉及一种用于对皮带轮进行优化的皮带轮结构生成方法和系统。

背景技术：

滚筒洗衣机的皮带轮是洗衣机的一个重要零部件，在电机和滚筒之间起转乘作用。皮带轮典型结构主要有：实心型、腹板型、孔板型和轮辐型。当前的洗衣机选用皮带轮材料通常为金属材料，例如镀锌钢。

现有技术中常规的皮带轮结构如图1所示，此种设计方式使得所述皮带轮的总体质量较大，由于其制作过程中耗材较多，因此，其制作成本较高。

因此，如何提供一种耗材较少的皮带轮，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于对皮带轮进行优化的皮带轮结构生成方法和系统，以实现通过改进皮带轮的降低所述皮带轮的耗材，从而降低皮带轮的制作成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种皮带轮结构生成方法，包括：

在标准皮带轮的中心部位施加转矩载荷，对所述标准皮带轮进行静力分析，获得所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据；

设定优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮进行结构优化；

判断优化后的皮带轮的结构变形量是否达到设定值变形量约束值，如果是，输出优化后的皮带轮的结构参数，如果否，继续对所述标准皮带轮进行结构优化；

依据优化后的所述皮带轮的结构参数进行几何重构。

优选的，上述皮带轮结构生成方法中，所述设定优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮进行结构优化，包括：

设定优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮的结构参数进行拓扑优化和形貌优化。

优选的，上述皮带轮结构生成方法中，所述拓扑优化的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为单元密度、目标函数为单元体积；所述形貌优化的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为加强筋、目标函数为结构强度。

一种皮带轮结构生成系统，包括：

数据采集单元，获取标准皮带轮的结构参数和初始应力及变形量分布数据，所述初始应力及变形量分布数据通过在标准皮带轮的中心部位施加转矩载荷，对所述标准皮带轮进行静力分析得到；

优化单元，用于获取设定的优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮进行结构优化；判断优化后的皮带轮的结构变形量是否达到设定值变形量约束值，如果是，输出优化后的皮带轮的结构参数，如果否，继续对所述标准皮带轮进行结构优化；

重构单元，用于依据优化单元输出的皮带轮的结构参数进行几何重构。

优选的，上述皮带轮结构生成系统中，所述优化单元内配置有拓扑优化单元和形貌优化单元；

所述拓扑优化单元和形貌优化单元被配置为：依据设定的优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮的结构参数进行拓扑优化和形貌优化。

优选的，上述皮带轮结构生成系统中，所述优化单元内配置内还配置有：

参数配置单元，用于配置拓扑优化单元和形貌优化单元的优化参数，具体的：

所述拓扑优化单元的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为单元密度、目标函数为单元体积；所述形貌优化单元的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为加强筋、目标函数为结构强度。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，通过在标准皮带轮的中心部位施加转矩载荷，对所述标准皮带轮进行静力分析，获得所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据；设定优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮进行结构优化；判断优化后的皮带轮的结构变形量是否达到设定值变形量约束值，如果是，输出优化后的皮带轮的结构参数，依据优化后的所述皮带轮的结构参数进行几何重构。使得优化后的结构去除了所述标准皮带轮中的无效区域，对皮带轮的结构进行了重新调整，减少了所述皮带轮的好裁量，降低了皮带轮的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种皮带轮结构生成方法的流程示意图；

图2为现有技术中的一种皮带轮的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的一种皮带轮结构生成系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

皮带轮作为洗衣机关键传动部件，其主要起动力传输作用，能以较高效率值将电机扭矩传递到内筒转子上，从而实现驱动内筒转动并洗衣功能。图1当前皮带轮结构图，其几乎为整块完整板料，对材料较为浪费，随着生产成本控制及结构外形多样化要求越来越高，对皮带轮盘的结构优化显得极有必要。

为了解决现有技术中，皮带轮存在严重的材料浪费的问题，本申请公开了一种皮带轮结构生成方法，参见图1，该方法可以包括：

步骤s101：获取标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据；

在本步骤中，可以采用现有技术中任意结构类型的皮带轮作为所述标准皮带轮，例如，其可以采用现有的如图2所述的几乎为整块完整板料的皮带轮为标准皮带轮，通过对所述标准皮带轮进行受力分析，得到所述标准皮带轮在运行过程中的初始应力及变形量分布数据，在获取所述初始应力及变形量分布数据时，可以通过在所述标准皮带轮的中心施加转矩载荷的方式模拟皮带轮的工作过程，在施加转矩载荷后，对所述标准皮带轮进行经理分析可得到所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据；

步骤s102：获取设定优化参数；

所述优化参数包括目标函数、优化约束参数以及优化变量参数；

步骤s103：进行结构优化；

在本步骤中，获取到所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据后，基于所述优化参数以及初始应力及变形量分布数据生成设计变量，得到优化后的皮带轮的结构参数；

步骤s104：判断优化后的皮带轮的变形量是否为约束值，如果是，执行步骤s105，否则，执行步骤s103；

在本步骤中，所述约束值可以为一特定的值，也可为一范围值，当其为一范围值时，只要所述优化后的皮带轮的变形量在所述约束值所包含的范围内，即可认为所述皮带轮的变形量为约束值；

步骤s105：依据优化后的所述皮带轮的结构参数进行几何重构；

在本步骤中，当优化后的皮带轮的形变量满足上述条件时，获取优化后得到的所述皮带轮的结构参数及有限元模型，进一步利用几何重构工具依据优化输出的有限元模型和皮带轮的结构参数重构出优化后的皮带轮的几何模型；经研究发现，优化后得到的皮带轮模型不仅能减材、降低成本，依据变形量分布数据对所述皮带轮的结构进行了重新设计，有效的改变了皮带轮的结构强度分布，增加了皮带轮在转动过程中的转动平衡性，进而使得皮带轮的转动更加稳定，降低了洗衣机的振动噪音。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，在基于标准皮带轮的初始应力及形变分布数据进行结构优化时，可以通过现有的优化方式进行优化，例如，在本申请实施例公开的技术方案中，可借助cae-optistruct拓补优化技术和形貌优化技术对洗衣机的皮带轮的结构开展结构优化，具体的，在本申请实施例公开的技术方案中，所述步骤s103具体可以包括：由设定优化参数中获取设计目标和约束，以所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据为基础，进行最优材料的分布优化(拓扑优化)，由设定优化参数中性能指标和约束条件，以所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据为基础，确定产品结构的编辑形状或内部几何图形的设计方法(形貌优化)。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，所述拓扑优化的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为单元密度、目标函数为单元体积；所述形貌优化的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为加强筋、目标函数为结构强度。所述优化约束作为上述约束条件，所述优化变量和目标函数作为上述性能指标和设计目标。

在配置好上述优化参数后，以标准皮带轮静力分析的初始应力及变形量分布数据为优化基础，展开皮带轮结构优化，优化方法主要分为拓扑和形貌优化两种，本发明拟结合两种方法对皮带轮进行同步优化：

(1)拓扑优化

在拓扑优化的过程中，设定皮带轮结构的变形量为优化约束条件，即结构在优化的过程中，其结构的形变量不能超过设定的约束值。皮带轮结构拓扑优化以单元密度为设计变量，优化过程中单元密度的分布能直接反应结构局部位置加厚或去材的合理性。拓扑优化以单元体积为目标函数，以单元体积的最小化为最佳目标，同时又会受优化约束变形量和设计变量单元密度分布的控制，以保证优化过程中结构材料的最优分布。

(2)形貌优化

形貌优化同样以皮带轮结构的变形量为优化约束条件，拓扑优化过程中结构的形变量亦不能超过设定的约束值。皮带轮形貌优化以加强筋为设计变量，通过加强筋的优化布置来满足和提升优化的皮带轮结构强度。皮带轮形貌优化以结构强度为目标函数，即在通过加强筋的优化来提升结构的整体刚强度，具体以结构的固频最高为最佳目标，同时受结构变形量约束条件限制。

当所述拓扑优化和形貌优化设定好优化参数后，进入皮带轮结构优化循环，拓扑优化和形貌优化同步进行，没进行一次拓扑优化和形貌优化时，两种优化方式都会各自优化结果进行变形量的判定，当结构变形量小于设定的变形量约束值时，则系统判定为“no”，并自动进入下一步迭代优化(调整设计变量)，直到经过若干步迭代优化后，优化后的皮带轮的结构变形量等于所述设定的约束值，则系统判定为“yes”，优化迭代停止，并输出优化得到的由有限元单元组成的优化模型外观。

针对于上述方法，本申请还公开了一种皮带轮结构生成系统，该系统中的各个单元的配置方式可以与方法中的技术方案相互借鉴，参见图3，该系统可以包括：可以包括一微处理器，所述微处理器内配置有预设程序，以实现下述数据采集单元100、优化单元200和重构单元300功能；其中：

数据采集单元100，其与方法中步骤s101相对应，被配置为：获取标准皮带轮的结构参数和初始应力及变形量分布数据，所述初始应力及变形量分布数据通过在标准皮带轮的中心部位施加转矩载荷，对所述标准皮带轮进行静力分析得到；

优化单元200，其与方法中步骤s102、103和104相对应，被配置为：用于获取设定的优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮进行结构优化；判断优化后的皮带轮的结构变形量是否达到设定值变形量约束值，如果是，输出优化后的皮带轮的结构参数，如果否，继续对所述标准皮带轮进行结构优化；

重构单元300，其与方法中步骤s105相对应，被配置为：用于依据优化单元输出的皮带轮的结构参数进行几何重构。

与上述方法向来对应，所述优化单元200内配置有拓扑优化单元210和形貌优化单元220；

所述拓扑优化单元210和形貌优化单元220被配置为：依据设定的优化参数，基于所述标准皮带轮的初始应力及变形量分布数据对所述标准皮带轮的结构参数进行拓扑优化和形貌优化。与上述方法相对应，所述拓扑优化单元210，在拓扑优化的过程中，设定皮带轮结构的变形量为优化约束条件，即结构在优化的过程中，其结构的形变量不能超过设定的约束值。皮带轮结构拓扑优化以单元密度为设计变量，优化过程中单元密度的分布能直接反应结构局部位置加厚或去材的合理性。拓扑优化以单元体积为目标函数，以单元体积的最小化为最佳目标，同时又会受优化约束变形量和设计变量单元密度分布的控制，以保证优化过程中结构材料的最优分布。所述形貌优化单元220，在优化过程中形貌优化同样以皮带轮结构的变形量为优化约束条件，拓扑优化过程中结构的形变量亦不能超过设定的约束值。皮带轮形貌优化以加强筋为设计变量，通过加强筋的优化布置来满足和提升优化的皮带轮结构强度。皮带轮形貌优化以结构强度为目标函数，即在通过加强筋的优化来提升结构的整体刚强度，具体以结构的固频最高为最佳目标，同时受结构变形量约束条件限制。

为了方便用户配置优化参数，所述优化单元内配置内还配置有：

参数配置单元，用于配置拓扑优化单元和形貌优化单元的优化参数，所述参数配置单元可以依据用户需求自行配置所述优化参数的具体数据类型和数据值，优选的，在本申请实施例公开的技术方案中，所述拓扑优化单元的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为单元密度、目标函数为单元体积；所述形貌优化单元的优化参数被配置为：优化约束为变形量、优化变量为加强筋、目标函数为结构强度。

为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。