CAD建模與優(yōu)化設計

《機械設計》2000年8月No8實(shí)例分析與經(jīng)驗交流優(yōu)化設計47文章編號1001 -2354( 2000 )08-0047-03CAD建模與優(yōu)化設計°曾振祥(湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院,湖南湘潭411105 )摘要:從CAD建模出發(fā)提出優(yōu)化設計問(wèn)題從工程應用角度解決用數模進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)的困難。通過(guò)實(shí)例解決了JKY2.5/2B型提升機卷筒的優(yōu)化設計問(wèn)題。關(guān)鍵詞CAD建模數學(xué)模型;優(yōu)化設計中圖分類(lèi)號:TH122文獻標識碼:A設計的工程問(wèn)題進(jìn)行實(shí)體建模然后利用CAE技1前言術(shù)對結構進(jìn)行數值分析與計算。而分析的結果,仍可用圖形表示。根據分析結果好壞返回到CAD ,長(cháng)期來(lái)人們一直沿用 經(jīng)驗類(lèi)比方法進(jìn)行工程設對結構進(jìn)行修改,直到設計最佳。其過(guò)程如圖1所計:首先根據設計任務(wù)及要求收集資料憑借經(jīng)驗示。輔之以必要的計算確定出一個(gè)較合適的方案。通過(guò)設計一分析一再設計”的過(guò)程,直到獲得較為滿(mǎn)開(kāi)量意的設計方案為止。傳統方法確有它光輝燦爛的過(guò)C設計貴料查閱及整理城結構的建模去,但也存在著(zhù)致命的缺點(diǎn)。首先它不能保證這種[ .設計的條件及學(xué)做設計是最好的其次設計過(guò)程需要相當長(cháng)的周期。顯然難以適應于今天高技術(shù)社會(huì )發(fā)展的需要。非線(xiàn)性數學(xué)規劃的數模分析技術(shù),以計算機為判新分析工具應用于機械設計使之發(fā)生了較大的變化。它<滿(mǎn)足要No使機械設計過(guò)程大為縮短,精度大為提高。給機械優(yōu)化結果輸 出設計帶來(lái)了新的希望。但也給設計者提出了更高的圖1優(yōu)化設計順序要求,首先要求他是工程方面的專(zhuān)家第二要求他是( 1 )原始資料收集方案的確定。這點(diǎn)與傳統設數學(xué)方面的專(zhuān)家其次還要求他是計算機編程方面計沒(méi)有任何區別。的高手。三者缺一不可。如此苛刻的條件使大多(2 )機械結構建模。利用CAD繪圖技術(shù)將構數的工程技術(shù)人員望而生畏。由于上述的難點(diǎn)這思的方案以圖形表示。利用計算機以1 :的形式繪種數學(xué)建模的優(yōu)化設計很難普遍得到推廣應用。制3D圖形。-般地，這對于工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是作者通過(guò)CAD建模,CAE分析的實(shí)踐活動(dòng)對很內行的。機械優(yōu)化設計進(jìn)行了探討。(3)按照設計的規定和要求添加邊界和條件。2機械結構新的優(yōu)化設計系統根據結構的設計目的添加各種條件。如力學(xué)中的支承、外載荷、對稱(chēng)等條件。傳熱中的熱負荷溫度場(chǎng),有許多的設計過(guò)程無(wú)法抽象為數學(xué)模型的形絕熱條件等。動(dòng)力分析時(shí)振動(dòng)參數以及模態(tài)分析中式更無(wú)法編制成計算程序。至今為止還沒(méi)有出現.的頻率響應等等。此外還有變形流場(chǎng)、電場(chǎng)等等。能實(shí)用的包含較廣的機械優(yōu)化設計的通用軟件。然中國煤化工CAD確定的坐標數而其它方面的軟件卻發(fā)展迅速。特別是基于CAD據,HCNMHG居等,分別進(jìn)行靜態(tài)應，技術(shù)和CAE技術(shù)的軟件發(fā)展給機械產(chǎn)品的優(yōu)化設力分析、動(dòng)態(tài)應力分析、傳熱分析、振動(dòng)分析、動(dòng)力分計提供了另一個(gè)新的途徑。利用CAD圖形技術(shù)對析、流體分析、管道系統分析、桁架以及梁桿等方面D ,收稿月期頻推9-1026; 修訂日期200317作者簡(jiǎn)介:曾振祥勇副教授CAD研究所副所長(cháng)從事化工機械及CAD/CAE等方面的教學(xué)和科研工作。48優(yōu)化設計實(shí)例分析與經(jīng)驗交流《機械設計》>2000年8月No8的數值分析與計算。由于.上述的軟件通用性極強,a一線(xiàn)線(xiàn)加速度 a=1 m/sI3]。因此,便于掌握。此外分析的結果,以十分直觀(guān)的考慮超載15%的情況則此時(shí)的Fa為:形式分布在結構的模型上，使人一目了然。Fx=(1+0.15)x117=135x 102N( 5 )分析結果的判定及修改。根據第( 4 )項的分Ma2=號xFx=172X10N m析計算再根據工程問(wèn)題設計的判定標準可以判定半圓卷筒的機械建模如圖3所示。計算結果是否為最佳設計。如果不是最佳”設計,|F則返回建模項目修改模型的尺寸和設計參數及條件,重新分析計算,直到最佳”設計出現為止。如果達到最佳”設計則進(jìn)入繪圖或制造過(guò)程。這樣可步.以促使產(chǎn)品在短時(shí)間內就可設計和制造出來(lái)。( 6采用CAD建模的優(yōu)化設計與數學(xué)建模相比hTTt HTT TTTTT有幾大優(yōu)點(diǎn):①直觀(guān)明確數值仿真能直接摸擬工圖2卷筒受力圖作狀態(tài)②便于修改③-般的工程技術(shù)人員完全可以勝任;④有通用成熟的軟件不必自己編制計算程序⑤計算的精度和可靠性大為增加;⑥要求設計者有較寬厚的專(zhuān)業(yè)基礎和CAD技術(shù)。數模優(yōu)化設計則有以下缺點(diǎn):①不太直觀(guān)②編好的程序不便修改③其優(yōu)化設計的精度和可靠性取決于設計者的數學(xué)水平和計算機編程能力;④要求設計者不僅是熟練的工程技術(shù)人員而且應是數學(xué)家和編程的高手⑤無(wú)通用的軟件可用需自己調試或編制專(zhuān)用的程序⑥不易于交流。圖3半圓卷 筒的機械模型采用不同厚度的三維板殼單元建模,可以方便3機械建模優(yōu)化設計實(shí)例地進(jìn)行計算和分柝4.5。模型中的所有尺寸均按圖紙實(shí)際尺寸(1:1模型)選擇半圓卷筒的最不利工下面以JKY2. 5/2B型提升機卷筒的設計作為況進(jìn)行分析。機械建模優(yōu)化設計的實(shí)際例題。表1半圓卷 筒上面載荷及節點(diǎn)載荷3.1卷筒的外 載荷計算正常載荷超載情況卷筒所受的外力如圖2所示繩索的最大靜張F-50*(N)| Mj+5(N m) |q( MPa)Fx +50[Nm) Ma +5M(Nm) | q(Mr)力F;=90X103 N則,由此而產(chǎn)生的面壓力為1]:2 3402 9803. 169.2 70034403. 6442Fa_ 2x90000x1.4*如圖3所示荷載作用在模型的50個(gè)節點(diǎn)上。9j= Dt= 2. 339xX0.034= 3. 169 MPa(1)3.2支承及邊界條件式中ian=1.4;半圓卷筒兩端的支撐板端部厚度較大,在強度D一外徑 按有關(guān)圖紙;分析時(shí)可視為固定支承(如圖3中三角形所示),半t一螺距 按有關(guān)圖紙。若考慮超載15%的情況則此時(shí)的面壓力應為:圓卷筒相聯(lián)處的邊界條件Z方向的位移受到約束q.=(1+0. I5)Xq;=3.644 MPa(2)(如圖3中圓圈所示)拉桿等邊界條件由計算機自阻力矩的計算2]:動(dòng)處理。3.3. 計算結果的優(yōu)化分析Fg=F;xk+Smt a=90103<1.2+8926. 9x1中國煤化工看文獻6]=117x 103 N .(3)HC N M H G件在滿(mǎn)足設計條件下DXFa得到最好的經(jīng)濟性。減輕零部件的質(zhì)量可以降低其Ma=2"= 149X10'N m轉動(dòng)慣量減少啟動(dòng)和制動(dòng)的功率。因此,以此作為式中k一礦 井阻力系數取k=1.2;Em-當量變位質(zhì)量2m=8 926. 9 kg(按相關(guān)圖紙估優(yōu)化目標。算);計算模型分別考慮不同的加強肋個(gè)數不同的《機械設計》2000年8月No8實(shí)例分析與經(jīng)驗交流優(yōu)化設計49卷筒壁厚以及不同的工況下造成的影響。由計算分Von Mises應力iJmx= 10 8868 s- 1.25744 MPa)半圓卷簡(jiǎn)質(zhì)量:M=61.9824S +914.954 kg(6)析可得出圖4~圖7的曲線(xiàn)結果。它們分別表示了最大變形28mo = 30448. 65S - 1.053 pm在不同的壁厚下、不同的加肋個(gè)數下其最大應力、Von Mises應力iJmx= 100 084 s-1.23411 MPa變形以及其質(zhì)量等相互之間的關(guān)系。半圓卷筒質(zhì)量:M=67.329 1 S+914.901 kg(7)80τ最大變形:8mx=29322. 95 s- 1.047Von Mises應力inmx= 10 925.8 s- 1.289 I MPa、半圓卷筒質(zhì)量:M=72. 689 s +914. 558 kg(8)最大變形:8mx=52 120 s - 1.2796 pum式中:s一壁厚 mm)b200各關(guān)系式的優(yōu)化結果如表2所示。顯然不加160↑ 0--Vn Mises(MPa)肋情況可以得到最小質(zhì)量(最佳目標值):M=2 402--10M(kg)kg;s=26. 3 mm ;δ= 1019. 3 pm;a= 180 MPa;不失穩安全系°1298202226280 2統no=2.639 ,即比原設計可以減輕質(zhì)量209 kg。優(yōu)圖4不加肋情況 下的相互關(guān)系.化率為i= 2613.55一? 404 x 100= 8%。設計要求的不失2613. 5528穩安全系數3]為2~2.5。因此,最佳設計完全滿(mǎn)足要求。表2關(guān)系 式的優(yōu)化結果目標值卷筒厚變形值σ&[σ] T失穩安全I加肋個(gè)數M( kg)S mmδ( 1rm)( MPa)系數no原設計2613.5530873.1513. 668 416040-_Von Mises (MPa)2 40426.31019.31802.6392018 2022533.5 26.11981/2 662.125.95968.55圖5加1個(gè)肋情況下的相互關(guān)系2671.45 24. 17885.04 .4小結采用CAD建模的優(yōu)化設計使十分艱巨的設計工作變得比較簡(jiǎn)單和直觀(guān)。修改也十分方便。設計0--5 "Damp (um)的精確度大為提高。無(wú)需在圖形工作站上進(jìn)行利用普通的486以上微機即可。同時(shí)為設計經(jīng)驗豐富2 2850 2而又編程比較困難的工程技術(shù)人員提供了-種優(yōu)化圖6加2 個(gè)肋情況下的相互關(guān)系設計的新途徑。s50r3|參考文獻[1]徐灝.機械設計冊(第4冊IS]北京:機械工業(yè)出版社,1991 31 ~31.[2]李儀鈺. 礦山提升運輸機槭M]北京治金工業(yè)出版社,1989 :244.YO Mises(MPa)[3] 中華人民共和國能源部.煤礦安全規程S ]北京: 1992 373.[4]中國煤化工M1長(cháng)沙國防科技大學(xué)出22去茲8302圖7加3個(gè)肋情況下的相互關(guān)系CN M HG.DYH71 AP5原理及應用[M]重慶:它們之間的關(guān)系可用曲線(xiàn)擬合式表示:重慶大學(xué)出版社1992 272.Von Mises應力iomx= 10284 S ~ 1.23794 MPa(5)[6]曾振祥.JKY- 2.5/1.2防爆液壓提升機半圓制動(dòng)板計算分析半圓卷筒質(zhì)量:M =56.6106 S +915.228 kg[R ]湘大化機,1996.最大變形:芳芳數據99.85-1.15838 ;8 pu