[发明专利]一种面向低碳轻量化的装备回转工作台智能设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及重型、超重型制造装备承载件结构优化设计方法，特别涉及一种面向低碳轻量化的装备回转工作台智能设计方法。

背景技术

重型、超重型制造装备是装备制造业中的关键设备，融合了多种学科的先进技术，代表着一个国家制造业的水平。同时，在当前低碳环保的发展趋势下，人们对如何实现重型、超重型制造装备设计的轻量化和制造过程的低碳化进行了不断的探索。

回转工作台是重型、超重型制造装备的重要组成部分，其结构特性对制造装备的整机性能影响非常大。而传统的回转工作台结构设计主要是依靠经验、类比和简单的有限元分析等，通过采用较大的安全系数保证结构的可靠性，这使得回转工作台结构笨重，材料潜能得不到很好的发挥，不仅回转工作台的性能难以提高，同时也增加了制造成本，无法满足当前重型、超重型制造装备低碳轻量化的设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向低碳轻量化的装备回转工作台智能设计方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种面向低碳轻量化的装备回转工作台智能设计方法，该智能设计方法包括以下步骤：根据承载作用的不同将回转工作台划分为不同的功能部分，抽象出各功能部分的二维特征截面模型，在各二维特征截面模型上分别应用智能创成准则，将回转工作台的结构设计问题转换为各功能部分最优承载构型的智能创成问题，将具有最优承载构型的各功能部分组合获得完整的回转工作台的最优结构。

所述智能设计方法具体包括以下步骤：

1）二维特征截面模型的构建

根据承载功能的不同，将回转工作台划分为台面支承部分和侧面支承部分两个功能部分，台面支承部分为主要载荷的施加部分，侧面支承部分为起主要支承作用的部分，根据台面支承部分的边界条件将台面支承部分抽象为由壳单元组成的二维正十六边形受力模型，将二维正十六边形受力模型设定为台面支承部分筋板构型的二维特征创成空间，根据侧面支承部分的边界条件将侧面支承部分抽象为由壳单元组成的二维矩形受力模型，将二维矩形受力模型设定为侧面支承部分筋板构型的二维特征创成空间，分别在两个受力模型的相邻壳单元节点之间添加与壳单元相互耦合的梁单元；

2）二维特征截面模型中筋板构型的智能创成

以二维特征截面上梁单元的截面高度h为设计变量，通过优化改变二维特征截面上梁单元的截面高度h的值，实施梁单元增长过程中的分叉与退化操作，实现二维特征截面上筋板构型的最优创成；由于截面高度h是唯一决定梁单元重量W的几何尺寸，则智能创成过程的实质为材料的最优分配，整个优化过程的数学模型如下：

设计变量：W=[W₁,W₂,…,W_N]

目标函数：总应变能最小Min f(W)

约束条件：W_sum≤W₀

W_i^U>W_i>W_i^L,i=1,2,…,N

其中，f(W)是结构模型的总应变能，W_sum是结构的总质量，W₀是预先给定的结构质量上限，W_i是第i个设计变量，W_i^U表示W_i的上限值，W_i^L表示W_i的下限值，N是设计变量的个数；

3）回转工作台结构设计的后处理

根据台面支承部分在二维特征截面模型中的筋板构型，设计出台面支承部分的三维最优构型，根据侧面支承部分在二维特征截面模型中的筋板构型，设计出侧面支承部分筋板的三维最优构型，将侧面支承部分筋板的三维最优构型绕工作台回转中心做圆周阵列处理获得侧面支承部分的最终三维最优构型，将侧面支承部分的最终三维最优构型与台面支承部分的三维最优构型进行组合，获得完整的回转工作台。

所述二维特征截面模型中筋板构型的智能创成，具体步骤如下：

1）依据功能部分的实际安装约束和受载情况，对构建的二维特征截面模型施加边界约束以及载荷；

2）定义求解类型为结构静力学分析，求解初始化模型，设定分析的显示结果为等效应力，计算结构变形的总应变能；

3）存储设计变量参数h和结构变形总应变能的值；