CAD建模与优化设计

《机械设计》2000年8月No8实例分析与经验交流优化设计47文章编号1001 -2354( 2000 )08-0047-03CAD建模与优化设计°曾振祥(湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105 )摘要:从CAD建模出发提出优化设计问题从工程应用角度解决用数模进行优化设计时的困难。通过实例解决了JKY2.5/2B型提升机卷筒的优化设计问题。关键词CAD建模数学模型;优化设计中图分类号:TH122文献标识码:A设计的工程问题进行实体建模然后利用CAE技1前言术对结构进行数值分析与计算。而分析的结果,仍可用图形表示。根据分析结果好坏返回到CAD ,长期来人们一直沿用 经验类比方法进行工程设对结构进行修改,直到设计最佳。其过程如图1所计:首先根据设计任务及要求收集资料凭借经验示。辅之以必要的计算确定出一个较合适的方案。通过设计一分析一再设计”的过程,直到获得较为满开量意的设计方案为止。传统方法确有它光辉灿烂的过C设计贵料查阅及整理城结构的建模去,但也存在着致命的缺点。首先它不能保证这种[ .设计的条件及学做设计是最好的其次设计过程需要相当长的周期。显然难以适应于今天高技术社会发展的需要。非线性数学规划的数模分析技术,以计算机为判新分析工具应用于机械设计使之发生了较大的变化。它<满足要No使机械设计过程大为缩短,精度大为提高。给机械优化结果输 出设计带来了新的希望。但也给设计者提出了更高的图1优化设计顺序要求,首先要求他是工程方面的专家第二要求他是( 1 )原始资料收集方案的确定。这点与传统设数学方面的专家其次还要求他是计算机编程方面计没有任何区别。的高手。三者缺一不可。如此苛刻的条件使大多(2 )机械结构建模。利用CAD绘图技术将构数的工程技术人员望而生畏。由于上述的难点这思的方案以图形表示。利用计算机以1 :的形式绘种数学建模的优化设计很难普遍得到推广应用。制3D图形。-般地，这对于工程技术人员来说是作者通过CAD建模,CAE分析的实践活动对很内行的。机械优化设计进行了探讨。(3)按照设计的规定和要求添加边界和条件。2机械结构新的优化设计系统根据结构的设计目的添加各种条件。如力学中的支承、外载荷、对称等条件。传热中的热负荷温度场,有许多的设计过程无法抽象为数学模型的形绝热条件等。动力分析时振动参数以及模态分析中式更无法编制成计算程序。至今为止还没有出现.的频率响应等等。此外还有变形流场、电场等等。能实用的包含较广的机械优化设计的通用软件。然中国煤化工CAD确定的坐标数而其它方面的软件却发展迅速。特别是基于CAD据,HCNMHG居等,分别进行静态应，技术和CAE技术的软件发展给机械产品的优化设力分析、动态应力分析、传热分析、振动分析、动力分计提供了另一个新的途径。利用CAD图形技术对析、流体分析、管道系统分析、桁架以及梁杆等方面D ,收稿月期频推9-1026; 修订日期200317作者简介:曾振祥勇副教授CAD研究所副所长从事化工机械及CAD/CAE等方面的教学和科研工作。48优化设计实例分析与经验交流《机械设计》>2000年8月No8的数值分析与计算。由于.上述的软件通用性极强,a一线线加速度 a=1 m/sI3]。因此,便于掌握。此外分析的结果,以十分直观的考虑超载15%的情况则此时的Fa为:形式分布在结构的模型上，使人一目了然。Fx=(1+0.15)x117=135x 102N( 5 )分析结果的判定及修改。根据第( 4 )项的分Ma2=号xFx=172X10N m析计算再根据工程问题设计的判定标准可以判定半圆卷筒的机械建模如图3所示。计算结果是否为最佳设计。如果不是最佳”设计,|F则返回建模项目修改模型的尺寸和设计参数及条件,重新分析计算,直到最佳”设计出现为止。如果达到最佳”设计则进入绘图或制造过程。这样可步.以促使产品在短时间内就可设计和制造出来。( 6采用CAD建模的优化设计与数学建模相比hTTt HTT TTTTT有几大优点:①直观明确数值仿真能直接摸拟工图2卷筒受力图作状态②便于修改③-般的工程技术人员完全可以胜任;④有通用成熟的软件不必自己编制计算程序⑤计算的精度和可靠性大为增加;⑥要求设计者有较宽厚的专业基础和CAD技术。数模优化设计则有以下缺点:①不太直观②编好的程序不便修改③其优化设计的精度和可靠性取决于设计者的数学水平和计算机编程能力;④要求设计者不仅是熟练的工程技术人员而且应是数学家和编程的高手⑤无通用的软件可用需自己调试或编制专用的程序⑥不易于交流。图3半圆卷 筒的机械模型采用不同厚度的三维板壳单元建模,可以方便3机械建模优化设计实例地进行计算和分柝4.5。模型中的所有尺寸均按图纸实际尺寸(1:1模型)选择半圆卷筒的最不利工下面以JKY2. 5/2B型提升机卷筒的设计作为况进行分析。机械建模优化设计的实际例题。表1半圆卷 筒上面载荷及节点载荷3.1卷筒的外 载荷计算正常载荷超载情况卷筒所受的外力如图2所示绳索的最大静张F-50*(N)| Mj+5(N m) |q( MPa)Fx +50[Nm) Ma +5M(Nm) | q(Mr)力F;=90X103 N则,由此而产生的面压力为1]:2 3402 9803. 169.2 70034403. 6442Fa_ 2x90000x1.4*如图3所示荷载作用在模型的50个节点上。9j= Dt= 2. 339xX0.034= 3. 169 MPa(1)3.2支承及边界条件式中ian=1.4;半圆卷筒两端的支撑板端部厚度较大,在强度D一外径 按有关图纸;分析时可视为固定支承(如图3中三角形所示),半t一螺距 按有关图纸。若考虑超载15%的情况则此时的面压力应为:圆卷筒相联处的边界条件Z方向的位移受到约束q.=(1+0. I5)Xq;=3.644 MPa(2)(如图3中圆圈所示)拉杆等边界条件由计算机自阻力矩的计算2]:动处理。3.3. 计算结果的优化分析Fg=F;xk+Smt a=90103<1.2+8926. 9x1中国煤化工看文献6]=117x 103 N .(3)HC N M H G件在满足设计条件下DXFa得到最好的经济性。减轻零部件的质量可以降低其Ma=2"= 149X10'N m转动惯量减少启动和制动的功率。因此,以此作为式中k一矿 井阻力系数取k=1.2;Em-当量变位质量2m=8 926. 9 kg(按相关图纸估优化目标。算);计算模型分别考虑不同的加强肋个数不同的《机械设计》2000年8月No8实例分析与经验交流优化设计49卷筒壁厚以及不同的工况下造成的影响。由计算分Von Mises应力iJmx= 10 8868 s- 1.25744 MPa)半圆卷简质量:M=61.9824S +914.954 kg(6)析可得出图4~图7的曲线结果。它们分别表示了最大变形28mo = 30448. 65S - 1.053 pm在不同的壁厚下、不同的加肋个数下其最大应力、Von Mises应力iJmx= 100 084 s-1.23411 MPa变形以及其质量等相互之间的关系。半圆卷筒质量:M=67.329 1 S+914.901 kg(7)80τ最大变形:8mx=29322. 95 s- 1.047Von Mises应力inmx= 10 925.8 s- 1.289 I MPa、半圆卷筒质量:M=72. 689 s +914. 558 kg(8)最大变形:8mx=52 120 s - 1.2796 pum式中:s一壁厚 mm)b200各关系式的优化结果如表2所示。显然不加160↑ 0--Vn Mises(MPa)肋情况可以得到最小质量(最佳目标值):M=2 402--10M(kg)kg;s=26. 3 mm ;δ= 1019. 3 pm;a= 180 MPa;不失稳安全系°1298202226280 2统no=2.639 ,即比原设计可以减轻质量209 kg。优图4不加肋情况 下的相互关系.化率为i= 2613.55一? 404 x 100= 8%。设计要求的不失2613. 5528稳安全系数3]为2~2.5。因此,最佳设计完全满足要求。表2关系 式的优化结果目标值卷筒厚变形值σ&[σ] T失稳安全I加肋个数M( kg)S mmδ( 1rm)( MPa)系数no原设计2613.5530873.1513. 668 416040-_Von Mises (MPa)2 40426.31019.31802.6392018 2022533.5 26.11981/2 662.125.95968.55图5加1个肋情况下的相互关系2671.45 24. 17885.04 .4小结采用CAD建模的优化设计使十分艰巨的设计工作变得比较简单和直观。修改也十分方便。设计0--5 "Damp (um)的精确度大为提高。无需在图形工作站上进行利用普通的486以上微机即可。同时为设计经验丰富2 2850 2而又编程比较困难的工程技术人员提供了-种优化图6加2 个肋情况下的相互关系设计的新途径。s50r3|参考文献[1]徐灏.机械设计册(第4册IS]北京:机械工业出版社,1991 31 ~31.[2]李仪钰. 矿山提升运输机槭M]北京治金工业出版社,1989 :244.YO Mises(MPa)[3] 中华人民共和国能源部.煤矿安全规程S ]北京: 1992 373.[4]中国煤化工M1长沙国防科技大学出22去兹8302图7加3个肋情况下的相互关系CN M HG.DYH71 AP5原理及应用[M]重庆:它们之间的关系可用曲线拟合式表示:重庆大学出版社1992 272.Von Mises应力iomx= 10284 S ~ 1.23794 MPa(5)[6]曾振祥.JKY- 2.5/1.2防爆液压提升机半圆制动板计算分析半圆卷筒质量:M =56.6106 S +915.228 kg[R ]湘大化机,1996.最大变形:芳芳数据99.85-1.15838 ;8 pu