[发明专利]一种基于界面软硬程度设计的装配体动静态性能提升方法

说明书

一种基于界面软硬程度优化的装配体动静态性能提升方法，将拓扑优化设计后的连续弹性模量分布的装配结合面软硬程度布局离散为N个子区域，根据装配结合面的N个子区域的当量弹性模量和当量厚度，根据涂层材料的种类TY得到材料矩阵[TY]_P×Q，根据涂层加工方式WA得到加工矩阵[WA]_P×Q，根据涂层质量DO得到质量矩阵[MK]_P×Q；然后输入表面涂层加工设备，对装配结合面进行分区加工。本发明可以增大结构固有频率，同时使得接触压力更加均匀，有效改善机械装备的动态性能和静态性能，避免服役过程中的共振现象，提高航空发动机、精密机床、高铁等高端装备质量。

技术领域

本发明涉及一种机械装备装配体动静态性能提升技术，具体是指一种基于界面软硬程度设计的装配体动静态性能提升方法。

背景技术

机械装备是由若干零部件通过各种连接方式组装而成具有特定功能的装配集成体。装配连接界面起着传递运动、力、力矩以及转矩等物理信息的作用，同时也决定着机械装备的静态(界面分布力、连接机械刚度等)和动态性能(模态频率、动态响应等)，是承载和保障机械装备实现特定功能的关键载体。模态分析以识别系统模态参数为最终目标，为机械装备振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据，带有装配连接界面的装配体模态动态性能优化对于高端装备服役性能保障有着至关重要的作用。譬如某航空发动机压气机在服役过程中叶片由于共振疲劳产生断裂，给国防事业带来安全隐患和经济损失；高端数控机床某部分的模态频率过低导致振动响应过大，严重影响成品质量；高铁某部件在运行过程中与外界输入产生共振，影响受众安全。现有技术中，多通过结构设计、优化装配工艺等技术来解决高端装备的振动问题，但是成本昂贵、成本昂贵且往往不能同时兼顾动静态性能的提升。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提出一种基于界面软硬程度设计的装配体动静态性能提升方法，通过力学接触理论、拓扑优化方法以及有限元数值分析相结合，优化设计出结合面软硬程度布局，再利用涂层加工技术根据理论优化结果对装配结合面完成分区软硬程度加工，达到提升机械装备动静态性能的目的。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于界面软硬程度优化的装配体动静态性能提升方法，包括以下步骤：

1)将拓扑优化设计后的连续弹性模量分布的装配结合面软硬程度布局离散为N个子区域，N＝P×Q，P、Q为整数；每个子区域T包含n个规则网格，根据第i个网格的弹性模量Ei，横截面积A_i与厚度H_i，获得每个子区域T的当量弹性模量ET，当量厚度H_T，其中i＝1，2…n；

2)根据装配结合面的N个子区域的当量弹性模量和当量厚度，确定装配结合面表面涂层材料的种类TY，涂层加工方式WA与涂层质量DO，根据涂层材料的种类TY得到材料矩阵[TY]_P×Q，根据涂层加工方式WA得到加工矩阵[WA]_P×Q，根据涂层质量DO得到质量矩阵[MK]_P×Q；

3)将材料矩阵[TY]_P×Q、加工矩阵[WA]_P×Q和质量矩阵[MK]_P×Q作为参数输入表面涂层加工设备，对装配结合面进行分区加工。

本发明进一步的改进在于，拓扑优化设计后的连续弹性模量分布的装配结合面软硬程度布局通过以下过程得到：

(1)对于机械装备使用有限元数值进行网格离散化处理，设置材料属性及边界条件，构建有限元数值模型；

(2)计算有限元数值模型的动态性能优化目标函数f＝-W₁，设置约束条件D≤D_max以及S_min≤S≤S_max，根据各个网格的弹性模量值进行网格密度等效，得到等效密度矩阵ρ；