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冷镦机床身再设计孔洞的形状优化

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冷镦机床身再设计孔洞的形状优化

发布日期:2017-07-24 作者:福裕磨床 点击:

针对冷镦机床身的拓扑优化在剔除材料的同时削弱了床身的整体力学性能,提出在冷镦机床身结构拓扑优化后的再设计孔洞区域进行形状优化,福裕磨床即以床身多约束拓扑优化后的再设计孔洞,作为形状优化的设计变量,建立多边界的形状优化模型;描述了形状优化中的 Laplacian 光顺算法,构建了冷镦机床身再设计孔洞的形状优化过程,并在 Abaqus中分别实现了某型号冷镦机床身再设计后单一孔洞和多孔洞的形状优化,分析了不同优化结果对床身整体性能的影响,验证了所提出方法的有效性。

1.引言

  锻压机床是机床中钢材消耗量最大的一类机床,而床身又是锻压机床中占体积和重量比重最大的一部分,对床身进行合理减重是实现锻压机床轻量化的关键[1]。冷镦机是典型的锻压机床,拓扑优化是冷镦机床身轻量化设计中最常见也是最有效的方法之一,但是由于拓扑优化过程中材料的删减不同程度削弱了冷镦机床身整体力学性能,而材料删减所形成孔洞的形状是影响应力、变形等指标的关键因素[2-3],因此,将拓扑优化和形状优化有机结合是提高床身轻量化设计质量的重要途径。提出针对冷镦机床身结构拓扑优化后的再设计孔洞进行形状优化,是在保证减轻床身重量的前提下,尽可能通过对拓扑优化后再设计区域的形状优化来改善床身的整体力学性能,从而提高床身轻量化设计的质量。

  2.形状优化模型

  形状优化通过使得某些物理量达到特定的边界要求,来实现设计区域几何形状的改变,以优化结构、改善相关性能[4]。形状优化所寻求的目标可以是最小化结构面积或体积、应力集中系数,也可以最大化结构的疲劳寿命等。同时,区域边界还必须要保持光滑的连续性条件,优化的形状边界须满足可制造性原则。在基于有限元分析技术的形状优化中,最大缺点是在优化迭代过程中,容易发生有限单元网格的畸变或扭曲,因此必须要满足网格的最大曲扭要求。设计变量一般以设计区域边界形状的几何参数为主,如单元网格的节点坐标等,也可选择非几何参数如虚荷载变量等[5-6]。形状优化是边界形状的不断迭代过程。优化区域形状的改变会导致应力的重新分布,一旦应力分布有利于优化函数的收敛,同时约束条件也得到满足,则会以实时的边界形状为优化变量,进行下一次迭代;若不满足约束条件或不利于优化函数的收敛,则以新的边界形状进行迭代,直到条件满足为止[6-8]。冷镦机床身形状优化是对拓扑优化后所设计的孔洞进行优化,由于孔洞的数量大于 1 且离散分布,因此可界定为多边界的形状优化问题


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