[發明專利]基于動態特性分析的磨齒機立柱結構優化設計的方法

有效

• 申請號: 201410101410.5
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103995914B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 王亞輝
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于機械結構優化設計領域，尤其涉及一種基于動態特性分析的磨齒機立柱結構優化設計的方法。?

背景技術

齒輪是機械傳動系統的基本部件，用于傳遞空間任意兩軸或多軸之間的運動和動力，其傳動性能的優劣和承載能力的高低很大程度上決定著機械產品的質量和水平。磨齒是齒輪精加工最常用的一種方法，因此開發成形磨齒機對齒輪的加工具有重要意義。?

目前發達國家在齒輪加工機床研究制造方面處于先進水平，已有可以加工外齒和內斜齒的磨齒機并已經產品化。在計算機軟硬件技術飛速發展的背景下，發達國家在機床設計方面實現了計算機輔助設計制造，有限元分析軟件與CAD系統的集成應用使設計水平發生了質的飛躍，縮短設計和分析的循環周期；增加產品和工程的可靠性；采用優化設計，降低材料的消耗或成本；在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題；模擬各種實驗方案，減少實驗時間和經費。我國機床結構設計的方法相對落后，大部分機床生產停留在經驗設計階段，不但開發周期長，設計成本高，資源浪費量大，而且精度和可靠性難以達到國際水平，很大程度上制約了我國機床業的發展。立柱是機床的重要組成部分，對于立柱結構分析，傳統的材料力學方法很難求得需要的數據，而且計算量大計算結果誤差也大，采用加大安全系數的方法可以保證結構的安全可靠運行，但結果使機床結構尺寸變大，不僅浪費材料，而且增加制造成本。有限元分析具有計算速度快、精度高的特點，通過三維建模和有限元分析計算，在設計階段就能清晰地了解到構件每一點的應力、應變及位移、構件的穩定性等情況，同?時可方便地對結構作反復的修改，為方案的選擇和改進提供有利依據。近年來，結構有限元分析以及結構優化方法發展迅速，在工程結構設計中的應用越來越廣泛。在機床結構設計領域，將結構有限元分析以及結構優化方法分別運用到機床結構的分析和設計階段，減少了反復的樣機試驗和方案修正工作，縮短了設計周期，降低了開發成本，同時由理論依據為指導，機床結構設計更加高效和高質量。?

雖然在機床結構分析設計領域，通過眾多學者的研究，已經取得了豐碩的成果。然而從目前研究來看，有限元軟件三維建模不強，無法反映模型的細節；如何將理論的抽象的結構優化結果設計成具體的實際的機床結構；現有結構優化方法無法得到材料的最佳分布情況，存在一定局限性。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于動態特性分析的磨齒機立柱結構優化設計的方法，旨在解決現有結構優化方法無法得到材料的最佳分布情況的問題。?

本發明是這樣實現的，一種基于動態特性分析的磨齒機立柱結構優化設計的方法，包括以下步驟：?

建立磨齒機立柱的有限元模型；?

對所述立柱進行動態分析，確定立柱的固有頻率和振型；?

以立柱的設計空間單元體積為約束，以立柱固有頻率為目標函數，對立柱進行獨立的單階拓撲優化；?

根據所述單階拓撲優化結果，尋找結構質量輕且低階頻率提高的空間質量分布，根據所述立柱的單元密度的分布，優化立柱內部結構。?

優選地，所述建立磨齒機立柱的有限元模型之后還包括步驟：對所述立柱進行靜態分析，根據分析結果優化立柱的靜態參數。?

優選地，所述對所述立柱進行動態分析，確定立柱的固有頻率和振型之后還包括步驟：建立磨齒機整機的有限元模型，對磨齒機中對立柱的動態性能影?響不大的部件進行簡化。?

優選地，所述以立柱的設計空間單元體積為約束，以立柱固有頻率為目標函數，對立柱進行獨立的單階拓撲優化之前還包括步驟：?

通過靈敏度分析找到影響立柱最大的參數，根據所述參數建立立柱的有限元模型，然后在整機中進行模態分析，得到磨齒機整機的動態特性；?

根據磨齒機整機的動態特性確定優化參數和對象。?

優選地，所述靈敏度分析用函數定義為：其中，Sn為高階微分靈敏度，若一函數F（x）可導，其高階靈敏度可表示為分子為F9x）的偏導數。?

優選地，所述建立磨齒機立柱的有限元模型具體為：去除所述立柱的外部孔、后窗以及底部的安裝部分特征結構，只保留立柱的外形尺寸，建立立柱外形尺寸的有限元模型。?

優選地，所述有限元模型的建立具體為：通過三維造型軟件Pro/Engineer建立磨齒機立柱的三維實體模型，通過有限元分析軟件ANSYS與三維造型軟件Pro/Engineer專用接口無縫連接，將所述三維實體模型立柱的導入有限元分析軟件ANSYS中生成有限元模型。?