一种新型精冲压力机机架的优化设计方法

摘要

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。

主权项

一种新型精冲压力机机架的优化设计方法，其特征在于，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；Minimize:$\Delta =\frac{V}{V_0}$Subject to:k_e＝(ρ_e)^pk₀c＝U^TF,F＝KU,${f_i}^2=\frac{K_i}{M_i}$c≤C$d_1^z\le D_1^z,d_2^z\le D_2^z,d_3^y\le D_3^y$f₁≥F₁0≤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；4)进行第一步拓扑优化：基于步骤2)所建机架拓扑优化的粗略设计模型以及步骤3)所建机架拓扑优化的数学模型，建立机架拓扑优化的有限元模型，并对上述有限元模型使用模式重复约束和挤压约束两种制造工艺约束，求解优化问题获得结构清晰的优化结果，根据该结果对机架结构进行再设计，得到满足约束条件的中间设计结构；5)第二步拓扑优化：基于步骤4)所得的机架中间设计结构及步骤3)所建的机架拓扑优化的数学模型，建立机架拓扑优化的有限元模型，并使用模式重复约束，不再使用挤压约束，求解优化问题获得体积最小的优化结果，根据该结果对机架结构进行再设计，得到满足约束条件的最终设计结构；6)运用有限元方法对最终设计结构分析验证。