[发明专利]一种新型精冲压力机机架的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，该方法包括如下步骤：1）对待优化的传统机架进行有限元分析，获得机架性能参数；2）基于SIMP法建立机架拓扑优化的数学模型；3）第一步拓扑优化，加入模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束，获得结构清晰、易于再设计的优化结果；4）第二步拓扑优化，不再使用挤压约束，在第一步优化的基础上最大限度去除材料，获得机架最优拓扑结构；5）采用有限元法分析验证所设计结构是否合理可行。根据本方法设计的精冲压力机机架结构合理，具有较高的动静刚度，可满足精冲过程的使用要求，且机架重量较轻，降低了生产和运输成本；本方法合理可行，大大缩短了设计周期，降低了设计成本。

技术领域

本发明涉及精冲压力机制造技术，尤其涉及一种新型精冲压力机机架的优化设计方法。

背景技术

精冲压力机机架是精冲压力机的重要零部件之一。一方面，精冲压力机机架是精冲过程的主要承力部件，其强度、刚度及动态特性直接影响整台压力机的动静特性；另一方面，机架重量占整台压力机重量的50％左右，机架的轻量化是实现整机轻量化、降低生产和运输成本的重要途径。传统的精冲压力机机架一般为方形，可能会导致质量过大、动静刚度差等问题，其结构有待进一步优化；传统精冲压力机机架结构设计，一般由工程师根据经验和技术要求设计出机架大致形状，然后采用有限元计算和物理样机实验进行分析验证，再修改、验证，直到满足要求为止，设计周期长，且设计成本巨大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中设计周期长，设计成本高的缺陷，提供一种新型精冲压力机机架的优化设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，包括以下步骤：

1)对待优化的精冲压力机机架结构进行有限元分析，获得机架性能参数；

所述机架性能参数包括机架体积V，额定载荷作用下的最大应力σ_max，额定载荷作用下的柔度c，额定载荷作用下机架第一受力面在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下机架第二受力面在竖直z方向上的变形量额定载荷作用下第一导向面在水平y方向上的变形量额定载荷作用下第二导向面在水平x方向上的变形量以及机架一阶模态频率f₁；

2)根据待优化的精冲压力机机架结构，建立机架粗略设计模型；

3)基于SIMP法，以最小化体积为目标，以柔度、受力面和导向面变形量以及一阶模态频率为约束，建立精冲压力机机架拓扑优化设计的数学模型；

Subject to:k_e＝(ρ_e)^pk₀

c≤C

f₁≥F₁

0≤ρ_min≤ρ_e≤1

其中，Δ为优化后体积V占优化前体积V₀的百分比，k_e和k₀分别为优化后单元刚度矩阵和原始单元刚度矩阵，ρ_e为单元相对密度，p为惩罚因子，U为位移矢量，F为所受力，K为结构刚度矩阵，f_i为i阶模态频率，K_i和M_i分别为i阶模态刚度和模态质量，C、分别为c、的上限值，F₁为f₁的下限值；