基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法及吊装设计方法与流程

本发明涉及一种确定装配体重心的方法，特别是涉及一种基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法及吊装设计方法。

背景技术：

随着工程设备大型化、重型化的发展，越来越重的工程设备已屡见不鲜，而保证这些大型设备的安全吊装就显得越来越重要。在空调领域，大巴空调属于既长又重的一种大型空调，在实验及搬运过程中需要产品自身吊耳及行车等吊装设备配合进行抬吊。在这种吊装方法中，设计者需要设计主尾吊点吊耳，吊耳的横纵中心位置应该和大巴空调的横纵重心位置保持一致，否则重心不稳会造成抬吊偏移严重，给搬运带来困难甚至造成产品滑落、跌落。装配体由多个不同材料的零件组合，材料的密度各不相同，对于结构布局对称的装配体，重心和形心重合，考虑到起吊设备的半径、拔杆高度、钢丝绳抗拉力等因素，即可确定吊耳位置；对于布局非对称的装配体，重心很难确定。如果通过实际试验测量重心，先需要人工将大巴空调抬起放于中心支撑上，然后不断调整中心支撑位置来保证其平衡，且一次支撑只能估测一个方向的重心，估测另外的方向需要再次抬起大巴空调更换支撑的方向，在找到重心后才能设计吊耳位置，耗费大量的设计和加工时间，造成明显的人力物力浪费。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前的非对称结构装配体所存在的重心难以确定的问题，提供一种在产品设计阶段就可以对装配体的重心进行确定的方法，并可以根据确定的重心位置设计吊耳的装配位置。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法，包括以下步骤：

将装配体拆分成若干零件体，绘制各零件体的三维实体模型；

根据各零件体的装配关系将零件体的三维实体模型组装为装配体的三维实体模型；

对零件体赋予各种材料的材料属性，根据各零件体对应的材料属性获得装配体总装量；

利用有限元分析法将装配体的三维实体模型进行单元网格划分建立有限元模型，根据各单元对应的材料属性获得各单元的重量；

以装配体的一个边缘为起点建立立方体选框，沿水平的第一方向框选部分装配体有限元模型，计算被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和，调整立方体选框边界位置，直到被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和为装配体总装量的一半，此时的立方体选框边界为第一边界；

以装配体的另一个边缘为起点建立立方体选框，沿水平的第二方向框选部分装配体有限元模型，计算被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和，调整立方体选框边界位置，直到被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和为装配体总装量的一半，此时的立方体选框边界为第二边界；

所述第一边界与第二边界在水平面上的交点为装配体的重心。

在其中一个实施例中，所述第一方向和第二方向相互垂直。

在其中一个实施例中，所述材料属性为材料密度。

在其中一个实施例中，所述绘制零件体和装配体三维实体模型的步骤采用creo软件。

在其中一个实施例中，所述建立有限元模型的步骤采用Hypermesh软件或Nastran。

本发明还提供了一种吊装设计方法，包括以下步骤：

采用上述任一项所述的方法确定装配体的重心；

在装配体上确定若干吊耳位置，所述吊耳位置使吊钩与装配体重心位于同一条铅垂线上。

在其中一个实施例中，所述吊耳为4个，呈矩形分布，所述装配体的重心位于矩形的中心点上。

本发明的有益效果是：通过本发明基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法，只需要设计人员对装配体的实体模型进行有限元划分并赋予其参数就能确定重心的准确位置，节省了人力和物力。并且，可以在产品设计的过程中根据零件布局位置的调整随时计算装配体的重心位置，并可以根据重心位置随时修改吊耳位置，避免了再产品设计后，为了保证重心平稳而更改吊耳位置时可能与其他零件产生的干涉，从而缩短产品开发周期，节省反复设计、整改时间。

附图说明

图1为有限元微积分原理示意图；

图2本发明吊装设计方法示意图；

图3本发明吊装设计方法应用于大巴空调吊耳位置设计示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法及吊装设计方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于装配体是由多个零件构成的，每一个零件的重量不同，且很多零件都是非对称结构，对于对称均质的物体，重心和形心是重合的，对于非对称均质或非均质的物体，重心与形心不重合。针对这个问题，本发明利用有限元的思想，将不规则物体化整为零又积零为整，即将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相连结的单元组合体，其主要原理示意如图1所示。设装配体其中某一个零件的密度为ρ，体积为V，每小块的体积为ΔVi，重量为ΔPi，此零件的总重为P，则

P＝ρ·V (1)

ΔP_i＝ρ·ΔV_i (2)

则重心P_c(x_c，y_c，z_c)的位置可由公式(3)～(5)确定。

同理，

这种有限元思想，是在每一个单元内假设的近似函数，分片的表示全求解域上待求的未知场函数，这样，一个问题的有限元分析中，未知函数式其导数在各节点上的数值就成为新的未知数(自由度)，通过插值函数计算出各单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域的近似解。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。将运用有限元思想的软件Hypermesh作为工具，对各零件进行有限元划分，赋予各材料的参数属性(主要是密度)后，将各零件组装成装配体，通过mass calc功能计算出装配体总重量，然后确定计算出xyz三个方向的重量中心位置，如果确定重心是用于设计吊装方式，只需计算xy方向重心位置即可。根据确定好的重心位置，则可以根据产品运输吊装方式及其它零件的部位设计吊耳位置。

本发明基于有限元理论确定非对称结构装配体重心的方法包括如下步骤：

将装配体拆分成若干零件体，绘制各零件体的三维实体模型；

根据各零件体的装配关系将零件体的三维实体模型组装为装配体的三维实体模型；

对零件体赋予各种材料的材料属性，根据各零件体对应的材料属性获得装配体总装量；

利用有限元分析法将装配体的三维实体模型进行单元网格划分建立有限元模型，根据各单元对应的材料属性获得各单元的重量；

以装配体的一个边缘为起点建立立方体选框，沿水平的第一方向框选部分装配体有限元模型，计算被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和，调整立方体选框边界位置，直到被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和为装配体总装量的一半，此时的立方体选框边界为第一边界；

以装配体的另一个边缘为起点建立立方体选框，沿水平的第二方向框选部分装配体有限元模型，计算被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和，调整立方体选框边界位置，直到被框选部分的有限元模型中各单元的重量之和为装配体总装量的一半，此时的立方体选框边界为第二边界；

所述第一边界与第二边界在水平面上的交点为装配体的重心。

其中第一方向与第二方向可以在非平行状态下呈任意角度，则第一边界与第二边界就会相交，优选第一方向和第二方向相互垂直，则第一边界与第二边界也会相互垂直，第一边界和第二边界会形成贯穿重心的横向线和纵向线，有利于进一步设计吊耳的位置。

具体的，所述材料属性为材料密度，利用材料密度和单元体积，可以计算出单元的重量。

具体的，所述绘制零件体和装配体三维实体模型的步骤采用creo软件；所述建立有限元模型的步骤采用Hypermesh软件或Nastran软件。

装配体的吊装设计方法如图2所示，几根钢丝绳合力作用在吊钩上，若重心位置确定错误，钢丝绳竖直方向的合力与装配体的重力将形成一对力偶，造成装配体转动，除了竖向分力还有一个水平向分力，吊耳对称设置可以使各吊耳的水平分力相互抵消，否则装配体起吊后可能在水平面发生旋转，需要靠人工拉溜绳来平衡。

以大巴空调为例，采用上述方法最终确定大巴空调的重心位置，如图3所示，1、2、3及4代表四个吊耳的位置，位置1、3与位置2、4分别关于纵向重心线对称，该图只表示了大巴空调的纵向重心线与吊耳的位置关系，横向同理。大巴空调的重心位置应该是在纵向重心线与横向重心线的交点上。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。