产品的轻量化拓扑方法及撕碎机刀盘与流程

本发明涉及机械设计
技术领域：
，特别是涉及一种产品的轻量化拓扑方法及撕碎机刀盘。
背景技术：
：结构优化的目的是让设计的结构从材料上更经济,从结构上力的分布更合理。其内容包含了结构尺寸优化,形状优化和拓扑优化,而拓扑优化是结构优化中更为重要的方面,结构拓扑的改进可以大大改善结构的性能或减轻结构的重量,带来直接的经济效益,因此选择结构拓扑优化问题作为研究方向,具有极大的现实意义。目前，拓扑优化方法有均匀化方法(homogenizationmethod),变密度法,变厚度法(variablethicknessmethod),渐进法(evolutionarystructuraloptimization(ESO)method)和BESO方法等，其中BESO方法是在ESO方法基础上进行了提高，BESO方法不仅能够删除单元也可以恢复单元。ESO方法最早是由Xie和Steven提出的，主要是通过不断地减少材料使得最终剩下的材料达到所设的约束条件。BESO方法最早是由Querinetal提出的，是对ESO方法的改进，通过删除或恢复单元使得最终的体积满足约束条件,这种方法终止迭代的条件是没有应力更小的单元，所以这种方法可以保证结构的刚度，并且拓扑结果的几何尺寸可以清楚地计算出来。然而这种方法是一种演化方法,所以它的迭代次数较多,计算效率与SIMP方法相比效率较低，此外,虽然Tanskanen讨论了ESO的理论基础,但是它的算法的收敛性还没有得到证明，这也使得BESO方法不稳定容易出现错误。拓扑优化在轻量化产品方面起着重要的作用，而撕碎机刀盘直径为450mm,厚度是50mm,对它进行拓扑优化使其轻量化可以在不降低撕碎机撕碎效能的情况下增加整个撕碎机的寿命，以及改善主轴的受力，从而减少撕碎机的能耗。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种产品的轻量化拓扑方法。本发明的目的在于公开了一种利用所述的产品轻量化拓扑方法制得的撕碎机刀盘。为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种产品轻量化的拓扑设计方法，包括以下步骤，1)对产品建模并将给定的设计区域用有限网格离散化并设定单元属性值及初始边界条件和初始载荷；2)进行有限元分析获得单元和节点的灵敏度数据；3)设定一个体积百分数的最小值a；4)在整个设计区域对节点灵敏度数据进行柔顺化；即把每个单元的灵敏度值重新进行排序，通过灵敏度来决定删不删单元，灵敏度大的不删，5)按照式计算当前灵敏度数据和上一迭代步灵敏度数据的平均值，并保存给下一迭代步使用，其中αi指第i个单元的灵敏度，k是当前的迭代次数；6)确定下一迭代步的目标体积；一次迭代就会删除一些单元，多次迭代接近目标体积；7)重新确定单元的属性值；利用新的单元属性值修正设计并作为下一步迭代的有限元分析模型；8)重复执行2)-7)步，直到达到预定的目标体积且满足收敛准则，即达到设定的最小体积百分数a的体积要求，9)在第一个初始体积百分数的基础上增加一个值为m的体积百分数进行第二次计算重复执行3)-8),直到满足εr小于0.1；10)将步骤9)得出的拓扑的体积百分数和迭代次数输入BESO模型中并得到最终的拓扑结构。本发明给出了一个普遍使用的优化参数约束方法，可以通过理论算法直接得出合理的体积百分数而不是人为的尝试，缩短了设计周期，对于大型复杂结构这周方法的优点更加突出，该方法可以根据设计结构精度的不同调整参数，如初始的体积百分数a，体积百分数增量，以及εr的值，所以该方法对大多数拓扑算法都适用。所述的步骤2)-9)的计算方法为：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分别表示负载矢量和位移矢量；C是柔度；xe是第e个设计变量，实体单元为1，空单元取0.001；N是单元的总个数；K是整体刚度矩阵；f是体积百分数；m为体积百分数增量，其大致与设计精度有关，精度越高其值越小；r为计算次数；εr表示的是第r次计算时的两个相邻体积百分数差值的变化与最大柔度差的比值；r'表示的是在满足公式(5)时的迭代次数，t表示满足结构设计要求的迭代次数；k表示的是当前的迭代次数；i表示单元编号；a表示的是一个初始的最小体积百分数。优选地，所述的产品为撕碎机的刀盘，本发明给出了适用于撕碎机刀盘的相邻体积百分数的差值与最大柔度差的比值0.1，在相邻体积百分数的差值与最大柔度差的比值小于0.1时撕碎机刀盘的结构能够在满足刚度的条件下最大限度的减小体积，达到绿色生产的效果。优选地，在所述的步骤9)中利用Python程序将体积百分数和迭代次数赋给BESO模型以提高BESO效率。一种撕碎机刀盘，包括盘体和与所述的盘体固定连接的撕碎刃,所述的盘体包括圆环形连接盘以及多个与所述的连接盘一体形成且均布在连接盘环周的刀座,所述的盘体前后两侧面分别对应地设置有凹槽。在所述的刀座的根部对应的连接盘上形成有贯通孔。所述的连接盘中部为正多边形孔以与对应的多边形轴传动连接。所述的贯通孔为圆形。所述的刀座为6个。所述的刀座与连接盘设置在同一平面内，所述的刀座呈三角形且与连接盘的径向保持夹角，在刀座的外端部内侧形成有连接面，所述的刀座的背部为弧形。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明给出了一个普遍使用的优化参数约束方法，可以通过理论算法直接得出合理的体积百分数而不是人为的尝试，缩短了设计周期，对于大型复杂结构这周方法的优点更加突出，该方法可以根据设计结构精度的不同调整参数，如初始的体积百分数a，体积百分数增加量，以及εr的值，所以该方法对大多数拓扑算法都适用。附图说明图1所示为本发明的刀盘建模示意图；图2所示为拓扑优化后的结构示意图；图3所示为体积百分数和形变量关系图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明将以以下公式为具体实施方式进行进一步描述。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分别表示负载矢量和位移矢量；C是柔度；xe是第e个设计变量，实体单元为1，空单元取0.001；N是单元的总个数；K是整体刚度矩阵；f是体积百分数；m为体积百分数增量，其与设计精度有关，精度越高其值越小；r为计算次数；ε为两个相邻体积百分数差值的变化与最大柔度差的比值；εr表示的是第r次计算时的两个相邻体积百分数差值的变化与最大柔度差的比值；r'表示的是在满足公式(5)时的迭代次数，t表示满足结构设计要求的迭代次数；k表示的是当前的迭代次数；i表示单元编号；a表示的是一个初始的最小体积百分数。具体来说，包括以下步骤1、利用有限元软件ABAQUS对刀盘进行建模，刀盘的尺寸参照刀盘的厚度为50mm，刀盘的材料为42CrMo其具体参数见表1，表1刀盘材料参数约束条件为固定刀盘内圈，如图1所示内部三角形所指部分为几何约束部分，外部箭头表示的是加载部分，载荷的大小根据对撕碎机的动态模拟得出，撕碎机撕碎汽车板的过程，汽车板的材料为6111铝合金，厚度为8mm，分析在撕碎机撕碎过程中刀盘的受力状况，选出刀盘每一部分受力最大的负载，使用最大负载对有限元模型进行加载，以确保拓扑优化结果的可靠性，载荷大小在下表中具体给出。对该模型进行网格划分，将模型划分为10182个单元，13055个节点，采用C3D8R单元类型，8节点线性六面体单元，缩减积分，沙漏控制。2、运行程序得出优化参数利用Python程序不断循环的执行方程(6)-(8)得出一个可以使得结构稳定的迭代次数，循环求解(9)，(10)两个式子可以得出优化的体积百分数，下面所示为以撕碎机刀盘为例得出柔度的数据，程序会在体积百分数在65％停止，下列数据仅为了说明差值变化率小于0.1开始柔度变化开始变小，根据式(10)可以得出最优体积百分数为65％，即在满足有足够刚度时同时满足体积最小，从而达到轻量化的目的，为了验证式(10)的正确性我们调出每个体积百分数形变量的值，如下表和图3所示,发现当体积百分数为65％时形变量的变化开始变小说明刚度的变化减小，说明体积百分数为65％时是合适的。3拓扑优化实现该算法以BESO拓扑优化方法为基础增加了对优化参数的约束，该算法便于编写程序，并且和ABAQUS软件有很好的相容性，利用Python程序实现该计算，其中体积约束用字母VolFrac，迭代次数用iter表示，在ABAQUS/CAE模块中导入该程序，即得到最终的优化拓扑结构。本发明提供了一种新的拓扑优化算法，该算法以BESO拓扑优化方法为基础增加了对参数的约束，减少人工取选择参数的盲目性和误差，从而提高拓扑优化的效率，加快优化过程，并减少优化过程中出现的错误，增加设计的可靠性。同时作为其一种具体应用，设计了一种新的轿车撕碎机刀盘，它比原始刀盘的体积减小了23％，并且从理论上验证了它的刚度以及强度都在许可范围内。如图2所示，本发明的刀盘包括圆环形盘体1和与所述的盘体固定连接的撕碎刃,所述的盘体1包括圆环形连接盘10以及多个与所述的连接盘一体形成且均布在连接盘环周的刀座11,所述的盘体前后两侧面分别对应地设置有凹槽12，在所述的刀座11的根部对应的连接盘上形成有圆形贯通孔13。本发明的刀盘，在前后两侧面分别设置有掏空式的凹槽，即，在连接盘和刀座上形成一个连通式凹槽，有效减轻了整体体积，而且结合受力分析，将受力较小的刀座根部对应的连接盘上开设贯通孔，进一步减少刀盘重量，而且贯通孔的设置方便加工定位，有效防止出现动不平衡现象的出现。具体地说，所述的刀座为6个所述的连接盘中部为正多边形孔以与对应的多边形轴，如六边形轴传动连接，采用刀座与轴套设式方式，传动稳定可靠且维修保养便利。其中，为便于提供撕碎刃更好的切割角度，所述的刀座与连接盘设置在同一平面内，所述的刀座呈三角形且与连接盘的径向保持夹角，即，刀座相对朝一个方向倾斜设置，在刀座的外端部内侧形成有连接面14，所述的撕碎刃固定设置在连接面上，利用相当向内倾斜的连接面固定安装撕碎刃，撕碎刃受力时径向形变小，有效提高使用寿命。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3