本发明涉及一种止推结构，尤其涉及一种止推结构的制作工艺，具体适用于缩短设计周期，提高设计效益。
背景技术
止推结构是试验装置结构的重要功能部件，属于实验设备领域，其起到承受和传递负载的作用。止推结构设计不仅要保证结构强度和稳定性，还需尽可能降低其重量。现在常见的设计方法为首先根据经验或是类比结构相似的止推结构建立止推模型的初始化几何模型，然后对结构性能进行仿真校核，再在仿真校核的基础上对止推结构各板厚进行反复的调整和校核，最终得到符合要求的止推结构方案。
由于初始化几何模型和所选的板厚选取带有一定的盲目性，且之后对初始化几何模型的优化只能通过反复的校核与调整实现，所以一旦在建立初始化几何模型时，板厚选取不正确或者不存在结构相似的止推结构作为参照，之后的优化周期将十分漫长，且所得模型性能优化效果不理想，对止推结构的性能要求越多，现有设计方法的问题将越突出。
申请公布号为cn107101795a，申请公布日为2017年8月29日的发明专利申请公开了一种止推结构，该止推结构包括底板、承撞板、后包板、压板、至少一个立板和两个侧板，两个侧板垂直固定在底板上，两个侧板相对平行布置，承撞板和后包板均固定在底板上，后包板和承撞板均分别与两个侧板固定连接，承撞板和后包板的顶部相互连接，底板、承撞板、后包板和两个侧板限定出一空腔，至少一个立板设置在空腔中，每个立板均与两个侧板平行布置，每个立板分别与底板、后包板和承撞板连接，立板的与承撞板连接的一侧边上设有第一缺口，压板卡装在第一缺口内，压板的一侧壁与立板固定连接，压板的另一侧壁与承撞板固定连接。虽然该设计公开了一种止推结构的具体构造，但其属于结构类专利，其保护的重点为机械结构，并不涉及如何设计这方面的技术特征，故，仍不能解决现有技术中存在的缺陷。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术中存在的设计周期较长、设计效益较差的缺陷与问题，提供一种设计周期较短、设计效益较好的止推结构的制作工艺。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种止推结构的制作工艺，包括依次进行的设计工艺与生产工艺，所述生产工艺根据所述设计工艺的结果进行操作；所述设计工艺包括依次进行的以下步骤：
s11、构建初始化曲面模型：先根据总体要求确定设计边界范围，即止推结构的空间范围，再根据承载情况初步确定曲面结构形式，以得到初始化曲面模型；
s12、初估材料属性和厚度，采用有限元法对曲面模型进行离散：先初步估计材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，以对初始化曲面模型进行离散；
s13、设定边界条件，得到有限元模型：接收离散后的初始化曲面模型的边界条件以构建有限元模型；
s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型：先确定优化设计变量，再确定优化约束条件、优化目标，以对优化设计变量进行拓扑优化，从而优化出最大的结构刚度，进而得到拓扑优化模型；
s15、求解拓扑优化模型：通过拓扑优化得到最大刚度的结构形状；
s16、导出拓扑结果模型，并修改生成尺寸优化的曲面模型：导出拓扑优化的结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，以得到尺寸优化的曲面模型；
s17、接受材料属性和板厚，采用有限元法对模型进行离散：先初步确定材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，然后对上述尺寸优化的曲面模型进行离散；
s18、设定边界条件，得到有限元模型：确定离散后的曲面模型的边界条件，以构建得到有限元模型；
s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型：优化设计变量、优化约束条件、优化目标都根据性能要求由人工进行设定，所述性能要求包括结构刚度、结构强度、谐振频率、稳定性、总重量；
s20、求解尺寸优化模型：通过优化约束条件和优化目标确定出优化设计变量，从而得到止推结构的尺寸，进而得到尺寸优化模型，以结束设计工艺。
所述设计工艺在s20、求解尺寸优化模型之后还包括依次进行的以下步骤：
s21、校核尺寸优化模型：校核时，先接收尺寸优化模型的边界条件，尺寸优化模型的边界条件与离散后的曲面模型的边界条件相同，再通过尺寸优化模型模拟止推结构在实际工作时的受力情况，以对尺寸优化模型进行校核，校核内容包括结构强度和结构稳定性；
s22、根据校核结果调整尺寸优化模型的局部结构：根据上述校核结果对尺寸优化模型的局部结构进行调整，调整结束后即可得到最终的止推结构模型，该止推结构模型作为设计工艺的最终结果以用于生产。
所述有限元法采用ansys软件进行。
所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比；所述边界条件包括止推结构承受的最大载荷和自由度。
所述s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型中，所述优化设计变量为所述设计区域，所述优化约束条件为止推结构的体积分数，所述优化目标为止推结构的刚度。
所述s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型中，所述优化设计变量为材料的厚度，所述优化约束条件为止推结构的强度和稳定性，所述优化目标为止推结构的总重量。
s11中：止推结构的空间范围为2000mm×3040mm×2400mm，根据承载情况初步确定曲面结构形式为四块立板、一块底板、一块压力板，压力板承受冲击载荷；立板与墙板焊接，墙板厚度20mm，底板与五块立板焊接，其中三块立板抵在压力板后面间隔均匀，其余两块立板分别靠墙板边缘布置；
s12中：初步估计立板厚度20mm，底板30mm，压板厚度40mm；
s13中：确定边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；
s14中：以优化设计变量为五块平行立板区域，对五块立板的拓扑方式进行设定，使各块立板按相同形状进行拓扑优化；确定两个优化响应：第一个是模型体积分数，第二个为结构刚度，以体积分数为约束条件，以结构刚度为优化目标，使结构按一定的体积分数进行迭代计算，优化出最大的结构刚度；
s16中：导出拓扑结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，增加封板、筋板以得到尺寸优化的曲面模型；
s17中：先初步确定立板、筋板的厚度20mm，压板厚度40mm，底板厚度30mm，封板厚度15mm，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，对曲面模型进行离散；
s18中：确定结构的边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；
s19中：性能要求包括结构强度、稳定性、总重量；优化设计变量为材料的厚度，优化约束条件为止推的结构强度和稳定性，优化目标为止推的总重量，在进行优化时，在满足结构强度和稳定性的前提下，使总重量最小，从而既保证止推结构的结构强度与稳定性，又降低止推结构的总重量，实现止推结构的轻量化设计；
s20：求解后，对优化结果进行调整，两侧立板厚度由13mm改为15mm，中间立板厚度由29.5mm改为30mm，前面封板厚度由5mm改为8mm，后封板厚度保存8mm，压板厚度保存50mm，在结构上在墙板后受力区域贴30mm的板即可。
s20步骤之后还有依次进行的s21与s22步骤；
s21中：包括校核尺寸优化模型的结构强度，本设计中的止推结构在实际工作中的最大应力为267mpa，小于材料的许用应力280mpa，满足结构强度的要求，一阶屈曲系数7.94稳定性满足要求；
s22中：改进筋板的形状和尺寸，以增加尺寸优化模型局部的结构强度和结构刚度，从而增强尺寸优化模型的稳定性，在完成对尺寸优化模型的局部结构调整后，即可得到最终的止推结构模型，以结束设计工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种止推结构的制作工艺中，包括依次进行的设计工艺与生产工艺，生产工艺根据设计工艺的结果进行生产操作，其中，设计工艺依次包括s11至s20共20个步骤，其首先根据设计区域构建止推结构的初始化几何模型，再初步估算属性和初始材料厚度，然后采用有限元法对曲面模型进行离散，再接收离散后的曲面模型的边界条件以构建有限元模型，然后接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到拓扑优化模型，再求解拓扑优化模型，然后根据拓扑结果修改模型为尺寸优化做准备，再根据修改后的模型，接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化的模型，最后得到尺寸优化模型以结束设计工艺，整体上，不仅能够主动将止推结构的性能要求等参数作为优化设计变量、优化约束条件，并可以设定优化目标进行优化，从而避免了被动优化，进而缩小了产品的设计周期，提高了设计效益，此外，整体布局清晰，前后衔接性较强，每一个步骤可操作性较强，易于实现。因此，本发明不仅能够缩短设计周期、提高设计效益，而且易于操作、生产效率较高。
2、本发明一种止推结构的制作工艺中，在s20、求解尺寸优化模型之后还可以增设依次进行的s21、校核尺寸优化模型，以及s22、根据校核结果调整尺寸优化模型的局部结构这两个步骤，增设的两个步骤能够进一步提高模型的优化效果，得到结构强度、结构刚度、稳定性更强的止推结构模型，利于生产出更好质量的止推结构。因此，本发明的结构强度与刚度较强，产品质量较好。
附图说明
图1是本发明中设计工艺的流程示意图。
图2是本发明实施例二中设计工艺的流程示意图。
图3是本发明实施例三中初始化模型的示意图。
图4是本发明实施例三中离散以后的有限元模型的示意图。
图5是本发明实施例三中进行拓扑优化的有限元模型的示意图。
图6是本发明实施例三中拓扑优化的结果的示意图。
图7是本发明实施例三中根据拓扑优化的结果修改的模型的示意图。
图8是本发明实施例三中离散以后的有限元模型的示意图。
图9是本发明实施例三中进行尺寸优化以后的有限元模型的示意图。
图10是本发明实施例三中尺寸优化结果的示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图10，一种止推结构的制作工艺，包括依次进行的设计工艺与生产工艺，所述生产工艺根据所述设计工艺的结果进行操作；所述设计工艺包括依次进行的以下步骤：
s11、构建初始化曲面模型：先根据总体要求确定设计边界范围，即止推结构的空间范围，再根据承载情况初步确定曲面结构形式，以得到初始化曲面模型；
s12、初估材料属性和厚度，采用有限元法对曲面模型进行离散：先初步估计材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，以对初始化曲面模型进行离散；
s13、设定边界条件，得到有限元模型：接收离散后的初始化曲面模型的边界条件以构建有限元模型；
s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型：先确定优化设计变量，再确定优化约束条件、优化目标，以对优化设计变量进行拓扑优化，从而优化出最大的结构刚度，进而得到拓扑优化模型；
s15、求解拓扑优化模型：通过拓扑优化得到最大刚度的结构形状；
s16、导出拓扑结果模型，并修改生成尺寸优化的曲面模型：导出拓扑优化的结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，以得到尺寸优化的曲面模型；
s17、接受材料属性和板厚，采用有限元法对模型进行离散：先初步确定材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，然后对上述尺寸优化的曲面模型进行离散；
s18、设定边界条件，得到有限元模型：确定离散后的曲面模型的边界条件，以构建得到有限元模型；
s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型：优化设计变量、优化约束条件、优化目标都根据性能要求由人工进行设定，所述性能要求包括结构刚度、结构强度、谐振频率、稳定性、总重量；
s20、求解尺寸优化模型：通过优化约束条件和优化目标确定出优化设计变量，从而得到止推结构的尺寸，进而得到尺寸优化模型，以结束设计工艺。
所述设计工艺在s20、求解尺寸优化模型之后还包括依次进行的以下步骤：
s21、校核尺寸优化模型：校核时，先接收尺寸优化模型的边界条件，尺寸优化模型的边界条件与离散后的曲面模型的边界条件相同，再通过尺寸优化模型模拟止推结构在实际工作时的受力情况，以对尺寸优化模型进行校核，校核内容包括结构强度和结构稳定性；
s22、根据校核结果调整尺寸优化模型的局部结构：根据上述校核结果对尺寸优化模型的局部结构进行调整，调整结束后即可得到最终的止推结构模型，该止推结构模型作为设计工艺的最终结果以用于生产。
所述有限元法采用ansys软件进行。
所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比；所述边界条件包括止推结构承受的最大载荷和自由度。
所述s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型中，所述优化设计变量为所述设计区域，所述优化约束条件为止推结构的体积分数，所述优化目标为止推结构的刚度。
所述s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型中，所述优化设计变量为材料的厚度，所述优化约束条件为止推结构的强度和稳定性，所述优化目标为止推结构的总重量。
s11中：止推结构的空间范围为2000mm×3040mm×2400mm，根据承载情况初步确定曲面结构形式为四块立板、一块底板、一块压力板，压力板承受冲击载荷；立板与墙板焊接，墙板厚度20mm，底板与五块立板焊接，其中三块立板抵在压力板后面间隔均匀，其余两块立板分别靠墙板边缘布置；
s12中：初步估计立板厚度20mm，底板30mm，压板厚度40mm；
s13中：确定边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；
s14中：以优化设计变量为五块平行立板区域，对五块立板的拓扑方式进行设定，使各块立板按相同形状进行拓扑优化；确定两个优化响应：第一个是模型体积分数，第二个为结构刚度，以体积分数为约束条件，以结构刚度为优化目标，使结构按一定的体积分数进行迭代计算，优化出最大的结构刚度；
s16中：导出拓扑结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，增加封板、筋板以得到尺寸优化的曲面模型；
s17中：先初步确定立板、筋板的厚度20mm，压板厚度40mm，底板厚度30mm，封板厚度15mm，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，对曲面模型进行离散；
s18中：确定结构的边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；
s19中：性能要求包括结构强度、稳定性、总重量；优化设计变量为材料的厚度，优化约束条件为止推的结构强度和稳定性，优化目标为止推的总重量，在进行优化时，在满足结构强度和稳定性的前提下，使总重量最小，从而既保证止推结构的结构强度与稳定性，又降低止推结构的总重量，实现止推结构的轻量化设计；
s20：求解后，对优化结果进行调整，两侧立板厚度由13mm改为15mm，中间立板厚度由29.5mm改为30mm，前面封板厚度由5mm改为8mm，后封板厚度保存8mm，压板厚度保存50mm，在结构上在墙板后受力区域贴30mm的板即可。
s20步骤之后还有依次进行的s21与s22步骤；
s21中：包括校核尺寸优化模型的结构强度，本设计中的止推结构在实际工作中的最大应力为267mpa，小于材料的许用应力280mpa，满足结构强度的要求，一阶屈曲系数7.94稳定性满足要求；
s22中：改进筋板的形状和尺寸，以增加尺寸优化模型局部的结构强度和结构刚度，从而增强尺寸优化模型的稳定性，在完成对尺寸优化模型的局部结构调整后，即可得到最终的止推结构模型，以结束设计工艺。
本发明的原理说明如下：
本发明首先构建止推结构的初始化曲面模型，并接收材料属性和初始材料厚度，然后采用有限元法对曲面模型进行离散，接收离散后的曲面模型的边界条件以构建有限元模型，接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到拓扑优化模型，求解拓扑优化模型，导出拓扑优化的结果修改曲面模型，并接收材料属性和初始材料厚度，然后采用有限元法对曲面模型进行离散，接收离散后的曲面模型的边界条件以构建有限元模型，接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型，求解尺寸优化模型。由于可以主动将止推结构的性能要求等参数作为优化设计变量、优化约束条件，并可以设定优化目标进行优化，所以避免了被动优化，缩小了产品的设计周期，提高设计效益。
实施例1：
参见图1至图10，一种止推结构的制作工艺，包括依次进行的设计工艺与生产工艺，所述生产工艺根据所述设计工艺的结果进行操作；所述设计工艺包括依次进行的以下步骤：
s11、构建初始化曲面模型：先根据总体要求确定设计边界范围，即止推结构的空间范围，再根据承载情况初步确定曲面结构形式，以得到初始化曲面模型；
s12、初估材料属性和厚度，采用有限元法对曲面模型进行离散：先初步估计材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，以对初始化曲面模型进行离散；
s13、设定边界条件，得到有限元模型：接收离散后的初始化曲面模型的边界条件以构建有限元模型；
s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型：先确定优化设计变量，再确定优化约束条件、优化目标，以对优化设计变量进行拓扑优化，从而优化出最大的结构刚度，进而得到拓扑优化模型；
s15、求解拓扑优化模型：通过拓扑优化得到最大刚度的结构形状；
s16、导出拓扑结果模型，并修改生成尺寸优化的曲面模型：导出拓扑优化的结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，以得到尺寸优化的曲面模型；
s17、接受材料属性和板厚，采用有限元法对模型进行离散：先初步确定材料属性、板材厚度，再在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，然后对上述尺寸优化的曲面模型进行离散；
s18、设定边界条件，得到有限元模型：确定离散后的曲面模型的边界条件，以构建得到有限元模型；
s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型：优化设计变量、优化约束条件、优化目标都根据性能要求由人工进行设定，所述性能要求包括结构刚度、结构强度、谐振频率、稳定性、总重量；
s20、求解尺寸优化模型：通过优化约束条件和优化目标确定出优化设计变量，从而得到止推结构的尺寸，进而得到尺寸优化模型，以结束设计工艺。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述设计工艺在s20、求解尺寸优化模型之后还包括依次进行的以下步骤：
s21、校核尺寸优化模型：校核时，先接收尺寸优化模型的边界条件，尺寸优化模型的边界条件与离散后的曲面模型的边界条件相同，再通过尺寸优化模型模拟止推结构在实际工作时的受力情况，以对尺寸优化模型进行校核，校核内容包括结构强度和结构稳定性；
s22、根据校核结果调整尺寸优化模型的局部结构：根据上述校核结果对尺寸优化模型的局部结构进行调整，调整结束后即可得到最终的止推结构模型，该止推结构模型作为设计工艺的最终结果以用于生产。
实施例3：
参见图1至图10，一种止推结构的制作工艺，包括依次进行的设计工艺与生产工艺，所述生产工艺根据所述设计工艺的结果进行操作；所述设计工艺包括依次进行的以下步骤：
s11、构建初始化曲面模型：墙板形状厚度由总体提供，墙板厚度20mm，根据总体要求确定设计边界范围，止推结构空间范围2000mm×3040mm×2400mm，根据构件载荷作用在墙体局部区域，根据承载情况初步确定曲面结构形式为四块立板、一块底板、一块压力板，压力板承受冲击载荷；立板与墙板焊接，底板与五块立板焊接，其中三块立板抵在压板后面间隔均匀，其余两块立板分别靠墙板边缘布置；建立的初始化曲面模型如图3所示；
s12、初估材料属性和厚度，采用有限元法对曲面模型进行离散：确定各板材之间连接关系，初步估计材料属性、板材厚度，初步估计立板厚度20mm，底板30mm，压力板厚度40mm，在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，对曲面模型进行离散；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；离散后的模型如图4所示；
s13、设定边界条件，得到有限元模型：确定结构的边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；边界载荷条件如图5所示；
s14、接收优化设计变量、优化约束条件、优化目标以得到拓扑优化模型：以设计设计变量为五块平行立板区域，对五块立板的拓扑方式进行设定，使各块平行立板板材按相同形状进行拓扑优化；确定两个优化响应：第一个是模型体积分数，第二个为结构刚度，以体积分数为约束条件，以结构刚度为优化目标，使结构按一定的体积分数进行迭代计算，优化出最大的结构刚度；
s15、求解拓扑优化模型：通过拓扑优化得到最大刚度的结构形状；拓扑优化的结果如图6所示；
s16、导出拓扑结果模型，并修改生成尺寸优化的曲面模型：在软件中导出拓扑结果模型，并根据工艺条件和实际情况进行修改，增加封板，筋板；修改后的模型如图7所示；
s17、接受材料属性和板厚，采用有限元法对模型进行离散：确定各板材之间连接关系，初步确定材料属性、板材厚度，立板、筋板的厚度20mm，压板厚度40mm，底板厚度30mm，封板厚度15mm，在有限元软件中做前处理，划分有限元网格，对曲面模型进行离散；有限元模型如图8所示；
s18、设定边界条件，得到有限元模型：确定结构的边界条件为底板下平面固定，冲击载荷作用于压板局部表面；
s19、接收优化设计变量、优化约束条件和优化目标，以得到尺寸优化模型：优化设计变量为材料的厚度，优化约束条件为止推结构的结构强度和稳定性，优化目标为止推结构的总重量，进行优化时，在满足结构强度和稳定性的前提下，使总重量最小，从而既可以保证止推结构的结构强度和稳定性，又可以降低总重量，实现止推结构的轻量化设计；计算模型如图9所示；
s20、求解尺寸优化模型：通过优化约束条件和优化目标确定出优化设计变量，从而得到止推结构的尺寸；优化结果如图10所示；
s21、校核尺寸优化模型：校核时，接收尺寸优化模型的边界条件，其中，尺寸优化模型的边界条件与离散后的几何曲面模型的边界条件相同，通过尺寸优化模型模拟止推结构在实际工作时的受力情况，以对尺寸优化模型进行校核，包括结构强度和结构稳定性的校核。在本实施例中，求解后，根据实际情况对优化结果进行调整，两侧立板厚度由13mm改为15mm，中间立板厚度由29.5mm改为30mm，前面封板厚度由5mm改为8mm。后封板厚度保存8mm，压板厚度保存50mm，在结构上在墙板后受力区域贴30mm的板即可。进一步地，校核尺寸优化模型的结构强度，止推结构在实际工作中的最大应力为267mpa，小于材料的许用应力280mpa，满足结构强度的要求，一阶屈曲系数7.94稳定性满足要求；
s22、根据校核结果调整尺寸优化模型的局部结构：在尺寸优化模型上改进筋板的形状和尺寸，以增加尺寸优化模型局部的结构强度和结构刚度，以增强尺寸优化模型的稳定性，从而得到最终止推模型，根据该最终止推模型进行生产。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。