劉朋

ProE中曲柄模型尺寸的可行性研究與優(yōu)化分析

劉朋1，2

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽441000；2．汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北襄陽441000）

利用Pro/E軟件自帶的可行性/優(yōu)化功能對一曲柄模型尺寸進行分析，首先得出曲柄結構滿足靜態(tài)平衡這一可行性要求，再對其相關尺寸進行優(yōu)化使得曲柄的質量最小，節(jié)省了繁雜的人工設計計算驗證過程和寶貴的設計時間，獲得了最佳的設計結果。

Pro/E；可行性研究；優(yōu)化分析

可行性研究，是判斷設計目標在一定的設計變量范圍或約束條件下是否有解決方案的過程，在滿足設計要求下，可能會有很多解決方案，找出其中一個最優(yōu)的方案使設計目標最小化或最大化的過程，即是優(yōu)化分析。優(yōu)化分析是建立在可行性研究的基礎上，若可行性研究不通過，則就不存在優(yōu)化分析?？尚行匝芯亢蛢?yōu)化分析都是通過在限定的尺寸范圍內搜尋解決方案以滿足特定約束，經(jīng)過數(shù)次計算迭代后輸出結果[1]。

1 曲柄模型尺寸可行性研究

曲柄零件是個旋轉運動的零件，曲柄的重心必須與其旋轉中心重合才會符合靜態(tài)平衡，即以手動方式放置曲柄至任意位置，曲柄都會靜止，不會因重力作用而旋轉。轉化為數(shù)學語言，即曲柄的重心與旋轉軸之間的距離為零。很顯然，要建立模型分析特征，創(chuàng)建模型質量屬性，得到曲柄重心的坐標參數(shù)值，即X COG、Y COG，X COG為重心的X值，YCOG為重心的Y值，要執(zhí)行可行性研究，要有設計約束和設計變量，設計變量為一組在一定范圍內可以改變的模型尺寸，設計約束為要滿足的條件。系統(tǒng)會在滿足設計約束的前提下，尋找一組尺寸值輸出。本例中的設計約束為X COG=0，Y COG=0，設計變量添加的尺寸為與曲柄上圓孔的拉伸特征有關的4個尺寸值，如圖1所示。

圖1 曲柄模型尺寸可行性研究

經(jīng)計算，系統(tǒng)可以找到可行解決方案，其對應的設計變量尺寸值也會在模型上顯示出來。用戶可以根據(jù)需要接受這些新的尺寸值，也可以撤銷或者保存這種分析結果。這里需要強調的是修改設計變量的最小值或最大值可以改變系統(tǒng)計算的范圍，若未找到可行性解決方案，可適當放大變量值計算范圍，另外，在滿足設計約束的條件下可能會有很多解決方案，但系統(tǒng)只會輸出一種可行方案，尋找到即停止計算，不會列出所有的可行方案。

2 曲柄模型尺寸優(yōu)化分析

優(yōu)化分析用于解決設計目標受到約束時的可行性問題，并輸出唯一的最優(yōu)解。這里把曲柄零件的質量最小作為設計目標，設計約束和設計變量的設置如同可行性研究[2-6]，如圖2所示。

圖2 曲柄模型尺寸優(yōu)化分析

經(jīng)計算，系統(tǒng)給出提示：此部件優(yōu)化成功，并把優(yōu)化后的相關尺寸在三維模型中顯示出來，用戶可根據(jù)需要確認模型修改或保存這個優(yōu)化分析或撤銷恢復原來的模型狀態(tài)。

圖3顯示的是曲柄質量與迭代數(shù)之間的優(yōu)化目標收斂圖，在迭代數(shù)為2以后，曲柄的質量不再變化，在迭代數(shù)為3時就停止了優(yōu)化計算，這時系統(tǒng)認定已達到最小值。更改收斂性標準或最大迭代次數(shù)有可能會使結果更有效。收斂性標準的數(shù)值作為評判當前的迭代值和先前的計算值的差值依據(jù)，這個值越小，計算所用的時間越久，相應的，計算的結果就會更精確。最大迭代次數(shù)可以使用系統(tǒng)默認的數(shù)值或用戶根據(jù)需要設定，這個值越大，計算所用的時間越久，計算的結果越精確。另外，優(yōu)化分析的核心在于計算算法上，在Pro/E中，用戶不必理會其后臺運行的優(yōu)化設計算法程序，這些工作統(tǒng)統(tǒng)由Pro/E完成，從而用戶可以把時間精力多花在零件的三維建模上，一般而言，在優(yōu)先選項卡默認選擇中，算法采用標準算法優(yōu)化模型。

圖3 優(yōu)化目標收斂圖

3 結束語

在Pro/E中，可行性研究和優(yōu)化分析集成在了一個對話框里，方便用戶的操作，其界面設計簡潔，只需給定相應設計約束、設計變量、設計目標，即可進行分析。在進行可行性分析和優(yōu)化分析時，系統(tǒng)所尋求到的解決方案，是一種局部解，并不是一種全局最優(yōu)解，因為設計變量是限定在一定的范圍內，并不是在全局域內，這也符合工程實際要求，沒有哪個零件的尺寸可以毫無限制。本文以一曲柄零件為例，闡述了可行性研究和優(yōu)化分析的步驟和特點，同理可以推廣到其它有關機械零件三維設計中，幫助工程師明確設計意圖，大大提高設計效率，減輕工作勞動強度。

[1]張鳳翔.基于Pro/E的曲柄模型可行性與最優(yōu)化分析[J].機械設計與制造，2006（06）：68-69.

[2]魚春燕.曲軸性能分析及其優(yōu)化設計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2005.

[3]蔣立軍.內燃機曲柄連桿機構動力分析及優(yōu)化設計[D].咸陽：西北農林科技大學，2006.

[4]李玲純.汽車發(fā)動機曲柄連桿機構的結構最優(yōu)化設計[D].蕪湖：安徽工程大學，2011.

[5]王海濤，賀得飛，鐘靈.S195單缸柴油機的曲柄連桿機構的結構優(yōu)化設計[J].中國農機化，2008（04）：78-80.

[6]何孔德，何玉林，杜靜，等.發(fā)動機曲柄連桿機構連桿質量的優(yōu)化配置[J].機械與電子，2005（11）：56-59.

Feasibility Study and Optimization Analysis of Crank Model Dimension in ProE

LIU Peng1，2
（1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei441000，China；2.The Collaborative Innovation Center of Hubei Province for Auto Parts Manufacturing Equipment Digitization，Xiangyang Hubei 441000，China）

The size of a crank model feasibility analysis/with the use of Pro/E software optimization，first obtains the crank structure meets the static balance the feasibility，then the related parameters were optimized so that the minimum quality of the crank to save calculation verification process of the artificial design complex and design time，obtained the best design results.

Pro/E；feasibility study；optimization analysis

TP319

A

1672-545X（2017）02-0218-02

2016-11-26

劉朋（1987-），男，安徽臨泉人，助教，碩士，主要從事機械設計技術方面的科研和教學工作。