一种带孔的平板的设计方法与流程

本发明涉及机械结构设计技术领域，特别涉及一种带孔的平板的设计方法。

背景技术：

带孔的平板结构在各种机械设备中都可以见到，带孔的平板常用于支撑转轴、支撑各种梁，或是通过在平板上开孔达到减重的目的。

由于在板上开孔后，在实际工作时，孔的附近会产生很大的应力，可能会导致平板出现局部材料屈服，从而影响整个设备的正常工作，因此带孔的平板的设计十分重要。现有的带孔的平板在设计时，通常根据经验或是类比结构相似的设备中的带孔的平板建立平板的初始化几何模型，然后对初始化几何模型的结构性能进行校核，若校核的结果满足实际工作的需要，则将该初始化几何模型确定为最终的平板模型，若校核的结果不满足实际工作，则需要重新根据经验再次建立平板的初始化几何模型，并再次校核，如此直至校核的结果满足实际工作的需要。

由于根据经验或是类比结构相似的设备中的带孔的平板建立平板的初始化几何模型，因此孔的形状、位置和大小的选取带有一定的盲目性，使得在设计带孔平板的过程中很可能需要进行反复的校核与重新设计，导致设计周期十分漫长，设计效率低下。

技术实现要素：

为了解决现有的带孔平板设计周期长，设计效率低下的问题，本发明实施例提供了一种带孔的平板的设计方法。所述技术方案如下：

一种带孔的平板的设计方法，所述方法包括：

构建平板的初始化几何模型，所述初始化几何模型上带有初始圆孔；

根据所述初始化几何模型生成所述平板的几何中面模型；

采用有限元法对所述几何中面模型进行离散，以得到网格模型；

获取所述初始圆孔被分割成的弧的数量值；

获取材料属性和材料厚度；

获取所述平板的边界条件；

获取优化设计变量和优化目标，以得到形状优化模型；

求解所述形状优化模型，以得到具有最优孔的最优形状模型。

优选地，所述构建平板的初始化几何模型，包括：

获取所述平板的设计参数；

根据所述设计参数生成所述初始化几何模型。

进一步地，所述设计参数包括所述平板的尺寸、所述初始圆孔的圆心和所述初始圆孔的半径。

可选地，当在所述平板上设计用于支撑转轴或圆截面梁的圆孔时，所述初始圆孔被分割成的弧的数量为1，所述优化设计变量为所述弧的半径。

可选地，当在所述平板上设计用于减重的腰形孔时，所述初始圆孔被分割成的弧的数量为4，所述优化设计变量为四段所述弧的半径、四段所述弧的圆心角和四段所述弧的圆心到所述初始圆孔的圆心的位置之间的距离。

可选地，当在所述平板上设计用于支撑梁的腰形孔圆角多边形孔时，所述初始圆孔被分割成的弧的数量为4，所述优化设计变量为四段所述弧的半径、四段所述弧的圆心角和四段所述弧的圆心到所述初始圆孔的圆心的位置之间的距离。

优选地，所述根据所述初始化几何模型生成所述平板的几何中面模型，包括：

抽取所述初始化几何模型的中面，以得到所述几何中面模型。

进一步地，所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。

可选地，所述边界条件包括所述平板的自由度和所承受的最大载荷。

可选地，所述优化目标根据性能要求设定，所述性能要求包括所述平板的结构刚度、结构强度、固有频率、体积和重量中的至少一种。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过建立平板的初始化几何模型，可以确定出平板的尺寸以及初始圆孔的圆心的位置，再通过生成平板的几何中面模型、网格模型后，获取初始圆孔被分割成的弧的数量值，并获取边界条件、优化设计变量和优化目标，以进行优化，根据边界条件、优化设计变量和优化目标在优化过程中不断调整每一段初始圆孔被分割成的弧的半径和相对初始圆孔的圆心的位置，最终确定出满足边界条件和优化目标的最优孔的形状和位置，得到最优形状模型，由于根据边界条件、优化设计变量和优化目标进行优化，可以快速准确的设计出符合实际工作要求的带孔的平板，解决了传统设计方法的设计周期长，设计效率低下的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种带孔的平板的设计方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的另一种带孔的平板的设计方法的流程图；

图3显示了本发明实施例提供的一种平板的初始化几何模型的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种几何中面模型的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种网格模型的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种施加有边界条件的平板的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种带孔的平板的设计方法的流程图；

图9是对初始圆孔进行分割后的示意图；

图10是本发明实施例提供的一种施加有边界条件的平板的示意图；

图11是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图；

图12是本发明实施例提供的又一种带孔的平板的设计方法的流程图；

图13是对初始圆孔进行分割后的示意图；

图14是本发明实施例提供的又一种施加有边界条件的平板的示意图；

图15是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种带孔的平板的设计方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S11：构建平板的初始化几何模型，初始化几何模型上带有初始圆孔。

S12：根据初始化几何模型生成平板的几何中面模型。

S13：采用有限元法对几何中面模型进行离散，以得到网格模型。

S14：获取初始圆孔被分割成的弧的数量值。

S15：获取材料属性和材料厚度。

S16：获取平板的边界条件。

S17：获取优化设计变量和优化目标，以得到形状优化模型。

S18：求解形状优化模型，以得到具有最优孔的最优形状模型。

本发明实施例通过建立平板的初始化几何模型，可以确定出平板的尺寸以及初始圆孔的圆心的位置，再通过生成平板的几何中面模型、网格模型后，获取初始圆孔被分割成的弧的数量值，并获取边界条件、优化设计变量和优化目标，以进行优化，根据边界条件、优化设计变量和优化目标在优化过程中不断调整每一段初始圆孔被分割成的弧的半径和相对初始圆孔的圆心的位置，最终确定出满足边界条件和优化目标的最优孔的形状和位置，得到最优形状模型，由于根据边界条件、优化设计变量和优化目标进行优化，可以快速准确的设计出符合实际工作要求的带孔的平板，解决了传统设计方法的设计周期长，设计效率低下的问题。

图2是本发明实施例提供的另一种带孔的平板的设计方法的流程图，该方法用于在平板上设计圆孔，该圆孔用于支撑转轴或圆截面梁，如图2所示，该方法包括：

S21：获取平板的设计参数。

具体地，设计参数包括平板的尺寸、形状、初始圆孔的圆心和初始圆孔的半径。

从而可以根据设计要求确定平板的尺寸、形状、初始圆孔的大小和初始圆孔的圆心在平板上的位置，不同用途的平板，平板的大小和形状也可能不同，其中，设计要求可以包括平板所安装的位置的空间大小和平板与其他结构的连接方式。

S22：根据设计参数生成初始化几何模型。

图3显示了本发明实施例提供的一种平板的初始化几何模型的示意图，如图3所示，该初始化几何模型为三维板材模型，该平板10包括有一个初始圆孔10a。这样，可以得到平板的轮廓外形，为后续的设计提供基础模型，初始化几何模型为三维的板材模型。

S23：抽取初始化几何模型的中面，以得到几何中面模型。

图4是本发明实施例提供的一种几何中面模型的示意图，如图4所示，在该几何中面模型中，平板20包括一个初始圆孔20a。

在采用有限元法生成网格模型之前，通常需要先对初始化几何模型进行简化，降维简化是一种常用的简化方式，降维简化主要包括中轴变换和中面简化，由于平板为板材，其厚度远小于长度和宽度，因此属于薄壁件，适宜采用中面简化，具体地，抽取平板的初始化几何模型中板材的中面，其中板材的中面是指将板材的厚度降为0时，形成的二维面，由于初始化几何模型仅包括一块平板，因此抽取的中面即为几何中面模型。

S24：采用有限元法对几何中面模型进行离散，以得到网格模型。

这样，可以将几何中面模型离散为多个相关联的单元进行分析，即实现了用有限数量的未知量(相关联的单元)去逼近无限数量的未知量(平板)，以得到较为精确的模拟结果。

图5是本发明实施例提供的一种网格模型的示意图，如图5所示，在该网格模型中，平板30被离散为多个单元31。其中，单元数由单元尺寸决定，单元尺寸越小，单元数越大，反之，单元尺寸越大，单元数越小。值得说明的是，单元尺寸可以进行人为设定，并且，由于单元数越大，计算机的求解精度越高，相应地，求解效率就会越低，因此单元尺寸可以根据实际的需求进行设置，本发明对此不做限制。

S25：获取初始圆孔被分割成的弧的数量值。

具体地，初始圆孔被分割成的弧的数量为1，即不对初始圆孔进行分割，由于需要设计的孔的形状为圆形，因此只需要优化孔的半径。

S26：获取材料属性和材料厚度。

具体地，材料属性至少包括密度、弹性模量和泊松比，平板的厚度可以设置为8～20mm，具体数值可以根据实际需要设置，材料属性和材料厚度可以根据实际需要人工进行输入。

S27：获取平板的边界条件。

具体地，边界条件可以包括平板的自由度和平板所承受的最大载荷，对于不同工作环境中的平板，平板的自由度以及所承受的最大载荷均可能不同，最大载荷可以根据实际工况进行设置，平板的自由度也与平板的实际安装形式有关。图6是本发明实施例提供的一种施加有边界条件的平板的示意图，图6中所示的平板呈矩形，平板的第一侧边401、第二侧边402和第三侧边403均处于固定状态，因此平板的自由度为0，所承受的载荷为垂直作用在孔壁上的向下的压力，该孔主要用于支撑截面为圆形的梁或转轴。

需要说明的是，所施加的最大载荷应大于实际工况中所承受的载荷，以提高平板在实际工况时的安全性。

S28：获取优化设计变量和优化目标，以得到形状优化模型。

具体地，优化目标根据性能要求设定，性能要求包括平板的结构刚度、结构强度、固有频率、体积和重量中的至少一种。

在本实施例中，优化设计变量为弧的半径，优化目标为结构刚度最大，由于所设计的孔用于支撑转轴或圆截面梁，因此需要确保孔的形状为圆形，通过调整弧的半径改变孔的大小，从而使平板的结构刚度为最大。

此外，也可以以固有频率最接近目标值为优化目标，目标值可以根据具体的工况人为设定，以使平板的固有频率与所支撑的结构的振动频率差值最大，从而可以确保平板在实际工作中不会产生共振。

S29：求解形状优化模型，以得到具有最优孔的最优形状模型。

图7是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图，平板50上开设有圆形的最优孔50a，通过边界条件、优化目标和优化设计变量确定出平板上的最优孔，以使设计出的平板满足实际工况的需要，从而可以将该最优形状模型作为最终得到的平板模型，根据平板模型进行设计和生产。

需要说明的是，上述步骤S25～S28可以同时进行。

图8是本发明实施例提供的另一种带孔的平板的设计方法的流程图，该方法用于在平板上设计腰形孔，该腰形孔用于减重，如图7所示，该方法包括：

S31：获取平板的设计参数。

具体地，步骤S31与步骤S21相同，此处不再赘述。

S32：根据设计参数生成初始化几何模型。

具体地，步骤S32与步骤S22相同，此处不再赘述。

S33：抽取初始化几何模型的中面，以得到几何中面模型。

具体地，步骤S33与步骤S23相同，此处不再赘述。

S34：采用有限元法对几何中面模型进行离散，以得到网格模型。

具体地，步骤S34与步骤S24相同，此处不再赘述。

S35：获取初始圆孔被分割成的弧的数量值。

图9是对初始圆孔进行分割后的示意图，初始圆孔被分割成的弧的数量为4，如图9所示，平板60上的圆孔被分割为弧61、弧62、弧63和弧64。

S36：获取材料属性和材料厚度。

具体地，步骤S36与步骤S26相同，此处不再赘述。

S37：获取平板的边界条件。

图10是本发明实施例提供的一种施加有边界条件的平板的示意图，图10中所示的平板70呈矩形，平板的第一侧边701固定，平板受到作用于第二侧边702上的拉力，拉力的方向平行于板面且与第二侧边702垂直。

需要说明的是，所施加的最大载荷应大于实际工况中所承受的载荷，以提高平板在实际工况时的安全性。

S38：获取优化设计变量和优化目标，以得到形状优化模型。

在本实施例中，优化设计变量为四段弧的半径、四段弧的圆心角和四段弧的圆心到初始圆孔的圆心的位置之间的距离，优化目标为平板质量最轻。

S39：求解形状优化模型，以得到具有最优孔的最优形状模型。

图11是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图，通过求解形状优化模型，得到平板90上的最优孔91的形状为腰形。

需要说明的是，上述步骤S35～S38可以同时进行。

图12是本发明实施例提供的又一种带孔的平板的设计方法的流程图，该方法用于在平板上设计腰形孔，该腰形孔用于支撑梁。如图12所示，该方法包括：

S41：获取平板的设计参数。

具体地，步骤S41与步骤S21相同，此处不再赘述。

S42：根据设计参数生成初始化几何模型。

具体地，步骤S42与步骤S22相同，此处不再赘述。

S43：抽取初始化几何模型的中面，以得到几何中面模型。

具体地，步骤S43与步骤S23相同，此处不再赘述。

S44：采用有限元法对几何中面模型进行离散，以得到网格模型。

具体地，步骤S44与步骤S24相同，此处不再赘述。

S45：获取初始圆孔被分割成的弧的数量值。

图13是对初始圆孔进行分割后的示意图，初始圆孔被分割成的弧的数量为4，如图13所示，平板90上的初始圆孔被分割为弧91、弧92、弧93、弧94。

S46：获取材料属性和材料厚度。

具体地，步骤S46与步骤S26相同，此处不再赘述。

S47：获取平板的边界条件。

图14是本发明实施例提供的又一种施加有边界条件的平板的示意图，图14中所示的平板呈矩形，平板的第一侧边1001、第二侧边1002和第三侧边1003均处于固定状态，因此平板的自由度为0，所承受的载荷为垂直作用在圆孔101的孔壁上的向下的压力。

需要说明的是，所施加的最大载荷应大于实际工况中所承受的载荷，以提高平板在实际工况时的安全性。

S48：获取优化设计变量和优化目标，以得到形状优化模型。

在本实施例中，优化设计变量为四段弧的半径、四段弧的圆心角和四段弧的圆心到初始圆孔的圆心的位置之间的间距，优化目标为结构刚度最大。

S49：求解形状优化模型，以得到具有最优孔的最优形状模型。

图15是本发明实施例提供的一种最优形状模型的示意图，通过求解，在平板110上得到形状为腰形的最优孔111。

需要说明的是，上述步骤S45～S48可以同时进行，此外，上述实施例的全部或部分步骤可以通过常用的设计软件实现，例如ANSYS(美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。