基于拓?fù)鋬?yōu)化的大推力測(cè)量工裝設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所，北京 100024 )

某型號(hào)大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)，是針對(duì)我國(guó)航空航天領(lǐng)域急需的大型關(guān)鍵薄壁零件的旋壓成形加工設(shè)備，同時(shí)推動(dòng)旋壓結(jié)構(gòu)件在大飛機(jī)、大推力運(yùn)載火箭和大型壓力容器上的應(yīng)用而研制開(kāi)發(fā)的重型設(shè)備。

該大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)總重量約600 t，三旋輪水平空間120°圓周均布，其中最大橫向推力可達(dá)1MN，為目前國(guó)內(nèi)最大推力的旋壓類(lèi)機(jī)床，屬于“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題資助研發(fā)的關(guān)鍵裝備。該設(shè)備的成功研制，使我國(guó)大型立式強(qiáng)力旋壓加工的技術(shù)研究及設(shè)備水平躋身于世界前列，具備該類(lèi)型加工設(shè)備的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和大型結(jié)構(gòu)件的獨(dú)立加工制造能力，為技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，全面提升我國(guó)航空航天制造技術(shù)及高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造設(shè)備的創(chuàng)新能力以及我國(guó)的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力。

1 測(cè)量指標(biāo)來(lái)源

大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)每個(gè)旋輪的橫向推力為1MN，屬于重大專(zhuān)項(xiàng)課題考核的重要技術(shù)指標(biāo)之一。由于推力很大，為了便于檢測(cè)，同時(shí)保證檢測(cè)時(shí)的安全性、準(zhǔn)確性、合理性以及可靠性，需要結(jié)合設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)(如圖1)以及主軸結(jié)構(gòu)和橫向部件結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，并根據(jù)檢測(cè)儀器的使用方式和外型尺寸等條件，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的測(cè)量工裝，以順利完成大推力指標(biāo)的測(cè)量工作，測(cè)量實(shí)施方案如圖2所示。

從圖1、圖2可以看出：3個(gè)旋輪分別對(duì)應(yīng)F1、F2和F3這3個(gè)推力，推力是由液壓伺服油缸驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的，檢測(cè)能否達(dá)到1MN的推力，必須盡量避免直接將推力載荷施加在主軸上，通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的測(cè)量工裝，測(cè)量時(shí)，將推力載荷作用在測(cè)量工裝上，以防對(duì)機(jī)床的主軸軸承和工作臺(tái)產(chǎn)生傷害，從而影響主軸精度和機(jī)床的加工精度。

2 測(cè)量工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)概述

一般情況下，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往采用類(lèi)比分析和試湊的方法，根據(jù)積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或者參考同類(lèi)、相似的產(chǎn)品，通過(guò)估算、對(duì)比等過(guò)程，定義出新產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行改進(jìn)和完善。這樣的設(shè)計(jì)過(guò)程周期較長(zhǎng)、花費(fèi)時(shí)間多，而且與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和水平有極大關(guān)系，同時(shí)存在一定程度的盲目性?；谝陨显?，借助優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念，在安全可靠的前提下，探索一種高效的設(shè)計(jì)方法和流程是至關(guān)重要的。

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)及優(yōu)化方法作為縮短機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的重要工具之一，在當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的現(xiàn)實(shí)條件下，被越來(lái)越多的企業(yè)廣泛使用，并實(shí)際應(yīng)用于新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)之中。綜合運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化技術(shù)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成滿(mǎn)足技術(shù)要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使新型產(chǎn)品在第一時(shí)間投入和占領(lǐng)市場(chǎng)，為企業(yè)贏得效益。

2.2 優(yōu)化過(guò)程

針對(duì)該測(cè)量工裝的使用功能，結(jié)合測(cè)量的實(shí)際，經(jīng)過(guò)分析，確定利用有限元分析軟件對(duì)工裝的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要流程如圖3所示。

根據(jù)圖3所示，首先以大型數(shù)控強(qiáng)力旋壓機(jī)三旋輪水平120°圓周均布的結(jié)構(gòu)以及預(yù)定的測(cè)量方式，建立測(cè)量工裝的一個(gè)模糊的實(shí)體模型(如圖4)，其外形尺寸也是粗略估計(jì)的，可能與最終的結(jié)果相差較多。

然后按照測(cè)量時(shí)作用力的施加位置和形式，利用有限元分析軟件施加相應(yīng)的約束與載荷條件，如圖5a所示，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，拓?fù)鋬?yōu)化出測(cè)量工裝的最初結(jié)構(gòu)如圖5b所示，該結(jié)構(gòu)只是測(cè)量工裝的雛形，對(duì)相應(yīng)的尺寸沒(méi)有具體的要求。該過(guò)程只是根據(jù)測(cè)量工裝的工作方式確定設(shè)計(jì)的方向，選擇能完全覆蓋設(shè)計(jì)區(qū)間的簡(jiǎn)單初始形狀進(jìn)行無(wú)參數(shù)化的拓?fù)鋬?yōu)化，為下一步設(shè)計(jì)工作提供最佳輪廓形狀和孔洞分布的概念模型。

之后，使用UG計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，參考圖5b拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建出測(cè)量工裝的三維實(shí)體模型(如圖6)，該模型的各相關(guān)尺寸都是粗估的，有待進(jìn)一步的參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)。

根據(jù)測(cè)量時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài)，再次利用有限元分析軟件，在測(cè)量工裝上施加相應(yīng)的約束和載荷，該載荷應(yīng)大于機(jī)床工作時(shí)旋輪的最大徑向推力1 MN，以確保測(cè)量工作的可靠性，分析計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)觀察和分析以上應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果的情況，分別根據(jù)不同的前提條件，對(duì)測(cè)量工裝進(jìn)行反復(fù)的參數(shù)優(yōu)化，以期得到最佳的結(jié)構(gòu)和尺寸。各種不同條件的參數(shù)優(yōu)化如圖8所示。

以上各種情況，從圖8a到圖8e的每一次分析計(jì)算，都是后者建立在前者的基礎(chǔ)之上，詳細(xì)分類(lèi)情況描述見(jiàn)表1。

表1 不同條件下工裝優(yōu)化計(jì)算一覽表

參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程就是根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，對(duì)初始參數(shù)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，產(chǎn)生優(yōu)化結(jié)構(gòu)零件，最終目的是得到合理、可靠的工裝結(jié)構(gòu)和尺寸，同時(shí)在保證剛度和強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上節(jié)材減重，從而在吊裝安全的同時(shí)降低了工裝制造成本。

2.3 工裝確定

表1是不同條件下工裝優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)分析，結(jié)合測(cè)量狀態(tài)下的應(yīng)力和變形情況以及工裝的質(zhì)量，最終確定圖8e狀態(tài)為最佳選擇。

確定后的工裝具有以下特點(diǎn)：(1)測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力大小在材料允許的安全范圍之內(nèi)；(2)在最大的推力作用下，變形相對(duì)較??；(3)通過(guò)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，工裝質(zhì)量?jī)H為最初的40%，節(jié)材顯著。

3 測(cè)量應(yīng)用

確定工裝參數(shù)后，按照尺寸進(jìn)行制造加工，并在檢測(cè)1 MN大推力測(cè)量中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，整個(gè)測(cè)量過(guò)程安全、可靠、穩(wěn)定，最終測(cè)量結(jié)果得到了具有國(guó)家質(zhì)量資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，也與用戶(hù)的使用情況一致，說(shuō)明滿(mǎn)足了該測(cè)量工裝最初設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)和使用要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上測(cè)量工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程，結(jié)合大推力載荷測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用，有以下幾點(diǎn)啟示供大家參考：

(1)對(duì)于尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如大推力作用的工裝、承受大載荷沖擊的零部件以及大型尺寸零件等的設(shè)計(jì)，為確保產(chǎn)品的成功率和安全系數(shù)，通過(guò)借助有限元分析軟件，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，可避免設(shè)計(jì)時(shí)的盲目性，保證產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)提高產(chǎn)品應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性，也大大縮短了設(shè)計(jì)周期并減輕了研發(fā)人員的工作量，可謂一舉多得；

(2)拓?fù)鋬?yōu)化能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)及部件在概念設(shè)計(jì)階段就可以靈活地、理性地優(yōu)選方案；

(3) 拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化的集成應(yīng)用，在機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)中具有重要的實(shí)用價(jià)值，優(yōu)化的過(guò)程也可以激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新思維，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更趨合理性，以滿(mǎn)足不同產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求；

(4) 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化對(duì)降低應(yīng)力集中、提高結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、延長(zhǎng)使用壽命等非常有效，尤其是在大載荷作用下的較為極端的狀況，效果更佳顯著；

(5)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使好鋼用在刀刃上，節(jié)材降耗，可以極大地提高產(chǎn)品的性能。

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