胡文浩

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

對于超精密沖床結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，是提高結(jié)構(gòu)性能，滿足結(jié)構(gòu)的輕量化要求并縮短研發(fā)周期、節(jié)約成本和損耗的重要方法，在一些工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)成為至關(guān)重要、必不可少的環(huán)節(jié)，因此，本文以超精密工件臺為主要的優(yōu)化對象，對其靜動等各項性能進行優(yōu)化，在進行優(yōu)化的過程中，選擇了一種加權(quán)歐式距離法的設(shè)計方法進行優(yōu)化，建立了能夠使靜柔度最小化、模態(tài)頻率最大化的多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，對其橫梁的結(jié)構(gòu)進行了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化。

1 超精密沖床結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

因為X軸溜板在左右運動的過程中，對橫梁動態(tài)性能有一定的影響，尤其在最左側(cè)和最右側(cè)的極限位置時對橫梁的動態(tài)性能影響最大，因此選取X軸溜板處于最左側(cè)時的情況進行拓?fù)鋬?yōu)化。二結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的過程中，指定拓?fù)鋬?yōu)化模型的設(shè)計與和非設(shè)計與能夠?qū)刂平Y(jié)構(gòu)中需要進行優(yōu)化和不需要進行優(yōu)化的部分實現(xiàn)控制，比如對滾珠絲杠傳動系統(tǒng)、滾動導(dǎo)軌等部分就定義為非設(shè)計區(qū)域，橫梁方管、支架、軸溜板以及隔板等部分被規(guī)劃為設(shè)計區(qū)域。

1.2 建立并分析有限元模型

根據(jù)CAD軟件對幾何模型進行的簡化處理，忽略工藝上的倒角和倒圓以及用來連接的小直徑孔，在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中，為提高有限元模型的計算精度，則需要耗費大量的計算時間與空間，可以將實體結(jié)構(gòu)劃分為六面體網(wǎng)格，報班的整體結(jié)構(gòu)劃分為四邊形面網(wǎng)格；針對各零件盡心網(wǎng)格劃分并建立相應(yīng)的連接關(guān)系，橫梁的導(dǎo)軌應(yīng)固定在機身上，并對底部的六個方向自由度進行適當(dāng)?shù)募s束。最后建立有限元模型.

2 加權(quán)歐氏距離法

將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為最小值問題，為此所有的多目標(biāo)函數(shù)都可以表示為：

分別是每個單目標(biāo)函數(shù)，這種優(yōu)化方法使令全部的單目標(biāo)函數(shù)同時最小化，而單目標(biāo)問題往往只存在一個最優(yōu)解多目標(biāo)優(yōu)化通常有兩個或兩個以上最優(yōu)解，多目標(biāo)函數(shù)的解通常是帕累托解。

3 靜態(tài)多剛度拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為使得沖床結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大，應(yīng)采用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)剛度最大化拓?fù)鋬?yōu)化是研究在設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)得到使結(jié)構(gòu)剛度最大的材料分布形式問題。不同的工況會使得沖床橫梁具有不同的靜態(tài)特性，多工況下橫梁的剛度拓?fù)鋬?yōu)化問題則通常被稱為多剛度的拓?fù)鋬?yōu)化問題，每一個工況就對應(yīng)著一個剛度的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此多剛度的拓?fù)鋬?yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化問題。在進行剛度拓?fù)鋬?yōu)化的處理時，往往將剛度最大的問題轉(zhuǎn)化為柔度最小的問題通過加權(quán)歐式距離法能夠得到相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

4 超精密沖床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用趨勢

隨著優(yōu)化方法的不斷發(fā)展和完善，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計也逐漸發(fā)展起來。近年來，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法方面，由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中變量較多，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計往往采用接近實際情況的復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型來模擬一些大型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。因此，新的準(zhǔn)則優(yōu)化方法備受關(guān)注，但如何為一些特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計相應(yīng)的計算公式，以解決與數(shù)值計算和推導(dǎo)有關(guān)的問題。同時，還可以采用一些機械系統(tǒng)分解和優(yōu)化方法，在超精密沖床結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，通過對多層分解或子結(jié)構(gòu)分解的優(yōu)化，將學(xué)科分解和優(yōu)化方法應(yīng)用于一些復(fù)雜的多學(xué)科系統(tǒng)。分解算法的關(guān)鍵是如何建立子問題之間的耦合關(guān)系。例如，利用線性分解和最優(yōu)解對參數(shù)的敏感性來建立耦合關(guān)系，從而使某些子問題的解是相容的。這確保了迭代收斂，但問題是如何確保它能夠得到解決。并將計算技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。近十年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等方法得到了迅速的發(fā)展。它們在連續(xù)混合和離散變量的全局優(yōu)化中起著重要的作用，對結(jié)構(gòu)近似再分析的專家系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。目前的問題是如何提高該方法的精度、質(zhì)量、收斂性和通用性。形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和材料優(yōu)化是超精密沖床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要組成部分。

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的一個重要參考，它使復(fù)雜構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在概念設(shè)計階段得到合理、靈活的選擇，為解決一些大規(guī)模的實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了可能。在拓?fù)鋬?yōu)化研究中提出的均勻化方法可以將形狀優(yōu)化、布局優(yōu)化和材料選擇結(jié)合起來，為超精密沖床結(jié)構(gòu)、工藝和材料的設(shè)計提供科學(xué)的手段。然而，如果我們要處理一些龐大的優(yōu)化模型，而有限元的計算量很大，則需要對應(yīng)力進行約束，使“多孔”材料的分布變得圓整，單元消失，從而導(dǎo)致計算模型的病態(tài)等。

5 結(jié)語

總之，在當(dāng)前各種條件下，超精密沖床結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計工作實踐中依舊存在著多方面的問題，我們應(yīng)該從這些問題的實際情況出發(fā)，深刻分析其產(chǎn)生的多方面原因，統(tǒng)籌并進，多措并舉，克服該項工作中的諸多難點問題，進而獲得最為優(yōu)化可行的實施策略與效果。