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    重庆时时彩有哪些群: 一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法.pdf

    关 键 词:
    一种 机床 固定 结合 不同 位置 刚度 参数 分配 设计 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610740781.7

    申请日:

    2016.08.26

    公开号:

    CN106354921A

    公开日:

    2017.01.25

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20160826|||公开
    IPC分类号: G06F17/50; G06N3/12 主分类号: G06F17/50
    申请人: 天津大学
    发明人: 张大卫; 张军傲; 石一光; 郭悟斌
    地址: 300072 天津市南开区卫津路92号
    优先权:
    专利代理机构: 天津市北洋有限责任专利代理事务所 12201 代理人: 刘子文
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610740781.7

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.03.01|||2017.01.25

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,包括以下步骤:(1)确定待分析机床的各项参数;(2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度;(3)建立床身立柱系统的动力学模型;(4)确定变量的设计空间,建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程;(5)构建二阶响应面模型,利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计;(6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果。通过本发明方法对床身立柱固定结合面处不同位置处的刚度参数进行预估和分配设计,从而提高机床的动态特性。

    权利要求书

    1.一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,其特征在于,包括以下步
    骤:
    (1)确定待分析机床的各项参数:包括床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置尺
    寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数;
    (2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度;
    (3)建立床身立柱系统的动力学模型;
    (4)确定变量的设计空间,建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程,以机床床身立柱
    首阶固有频率作为设计目标,以固定结合面不同位置的刚度参数作为设计变量,基于
    Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身
    立柱结合面位置刚度参数的样本点;
    (5)构建二阶响应面模型,利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不同位
    置的刚度参数进行分配设计;
    (6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果:将步骤(5)中机床固定结合面不同位置
    处刚度参数的最优分配关系结果赋予到床身立柱结合面上,导入到有限元分析软件ANSYS
    中,并添加约束,进行模态分析;对刚度参数分配前后的首阶固有频率进行对比,如果刚度
    参数分配设计满足要求,则输出优化结果,并结束设计过程;否则,重新进行遗传算法寻优,
    直到满足设计要求为止。
    2.根据权利要求1所述一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,其特
    征在于,步骤(2)中将床身立柱振动归纳为12个自由度,分别是床身X方向的平动和转动,Y
    方向的平动和转动,Z方向的平动和转动,立柱X方向的平动和转动,Y方向的平动和转动,Z
    方向的平动和转动。
    3.根据权利要求1所述一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,其特
    征在于,步骤(4)中将床身立柱结合面刚度的极限范围作为变量的设计空间,其中床身立柱
    结合面刚度变化的最小极限为初始结合面刚度的60%,最大极限为初始结合面刚度的
    150%。

    说明书

    一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法

    技术领域

    本发明涉及一种机床床身立柱固定结合面不同位置处的刚度参数规划方法,具体
    的说,是涉及一种基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度参数分配
    设计方法。

    背景技术

    机床的动态性能对机床加工精度及加工效率有着重要影响,传统的机床设计中对
    结合面各个位置处刚度参数的处理依据以往经验进行分配,这种方法比较主观,不利于保
    证机床动态性能。

    目前,对于精密机床固定结合面处不同位置处刚度参数的分配设计仍局限于单个
    位置最优的方法,其实质是设计者依据设计经验,分配各个位置处的刚度参数,然后对有限
    个位置进行数值模拟分析计算,然后从中选择最优的刚度参数。这种方法难以保证众多位
    置组合时的刚度参数对机床动态特性是最优的,同时挑选参数和进行数值模拟分析计算需
    要耗用大量时间,不能满足现代机床设计生产要求。

    因此,提出一种基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度参
    数分配设计方法,解决设计效率和设计精度低等问题,是本发明亟待解决的技术问题。

    发明内容

    本发明的目的是为了克服现有技术中的不足,提供一种基于响应面和遗传算法的
    精密机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,对床身立柱固定结合面处不同位
    置处的刚度参数进行预估和分配设计,从而提高机床的动态特性。

    本发明的目的是通过以下技术方案实现的:

    一种机床固定结合面不同位置处刚度参数分配设计方法,包括以下步骤:

    (1)确定待分析机床的各项参数:包括床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置
    尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数;

    (2)提取出待分析机床床身立柱的全部自由度;

    (3)建立床身立柱系统的动力学模型;

    (4)确定变量的设计空间,建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程,以机床床身
    立柱首阶固有频率作为设计目标,以固定结合面不同位置的刚度参数作为设计变量,基于
    Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身
    立柱结合面位置刚度参数的样本点;

    (5)构建二阶响应面模型,利用遗传算法循环逼近寻优技术对机床固定结合面不
    同位置的刚度参数进行分配设计;

    (6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果:将步骤(5)中机床固定结合面不同
    位置处刚度参数的最优分配关系结果赋予到床身立柱结合面上,导入到有限元分析软件
    ANSYS中,并添加约束,进行模态分析;对刚度参数分配前后的首阶固有频率进行对比,如果
    刚度参数分配设计满足要求,则输出优化结果,并结束设计过程;否则,重新进行遗传算法
    寻优,直到满足设计要求为止。

    步骤(2)中将床身立柱振动归纳为12个自由度,分别是床身X方向的平动和转动,Y
    方向的平动和转动,Z方向的平动和转动,立柱X方向的平动和转动,Y方向的平动和转动,Z
    方向的平动和转动。

    步骤(4)中将床身立柱结合面刚度的极限范围作为变量的设计空间,其中床身立
    柱结合面刚度变化的最小极限为初始结合面刚度的60%,最大极限为初始结合面刚度的
    150%。

    与现有技术相比,本发明的技术方案所带来的有益效果是:

    本发明通过求解精密系统的动力学方程,得到固定结合面不同位置处的刚度参数
    与系统首阶固有频率的关系,建立响应面模型,通过遗传算法寻优得到满足系统动态性能
    的最优刚度参数,提高了机床加工效率和加工精度,减少了生产制造成本,具有较强的可操
    作性,为机床的设计与仿真分析提供支撑。

    附图说明

    图1是本发明方法的整体流程图;

    图2是机床床身立柱的动力学模型示意图;

    图3-1是机床床身立柱固定结合面的俯视结构示意图;图3-2是机床床身立柱固定
    结合面的相对位置尺寸示意图。

    具体实施方式

    为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图
    详细说明如下,图1是本发明方法的整体流程图,针对具体实施例的设计方法步骤如下:

    (1)确定待分析精密机床所需各项参数

    待分析精密机床所需各项参数分别为床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对位置
    尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数。待分析床身立柱和结合面各项所需几何参数
    如图2所示,其中结合面联接点相对位置尺寸为a3、a4、a5、c4、c6、c7、c8,立柱转动惯量参数为
    Ix1、Iy1、Iz1、床身转动惯量参数为Ix2、Iy2、Iz2,立柱质量参数为m1,床身质量参数为m2。

    (2)提取出待分析床身立柱的全部自由度

    为了更详尽准确的描述床身立柱所有振型并且为了模型建立的正确性,将床身立
    柱振动归纳为12个自由度,分别是床身X方向的平动和转动,Y方向的平动和转动,Z方向的
    平动和转动,立柱X方向的平动和转动,Y方向的平动和转动,Z方向的平动和转动,用qi来表
    示。

    (3)建立床身立柱系统的动力学模型

    利用拉格朗日方程及能量守恒定律建立机床结构总动能、总势能及瑞利耗能函
    数。拉格朗日方程为:

    <mrow> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>Q</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

    式中:xi为系统广义坐标,Q为系统广义力,T为系统总动能。

    通过系统总动能、总势能及瑞利耗能求出系统质量矩阵[M]、刚度矩阵[K]及阻尼
    矩阵[C],本文研究的是系统自由振动的固有频率,因此不考虑瑞利耗能和阻尼矩阵。

    对于研究的床身立柱系统,Q由广义势力广义线性阻尼力及广义激振力
    Q'组成,即:

    <mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

    将式(1)带入式(2),得

    <mrow> <mfrac> <mi>d</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>T</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&part;</mo> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mo>&part;</mo> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msup> <mi>Q</mi> <mo>&prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

    式中:V为系统总势能,D为系统瑞利耗能。

    分别求出床身立柱的动能和势能,床身立柱的动能相加即得系统总动能T,床身立
    柱的势能相加即得系统总势能V,代入到式(3)中,即可得到关于床身立柱的拉格朗日方程。

    (4)确定变量的设计空间,建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程。

    床身立柱固定结合面联接螺栓的分布呈现“凹字形”,从图3-1和图3-2可以看出,
    在每个位置均设置一个刚度参数变量,即每一列、每一行的位置均设置变量,共设置8个刚
    度参数的变量。确定变量的设计空间时,考虑到结合面刚度实际变化情况,本发明中床身立
    柱结合面刚度变化范围分别为:最小极限为初始结合面刚度的60%,最大极限为初始结合
    面刚度的150%,上述结合面刚度的极限范围即为各变量设计空间。

    从设计空间中选取样本点对响应面的构建至关重要,不理想的试验点不仅影响后
    面响应面模型的精度,甚至会造成所述响应面模型无法构建,因此要根据实验设计理论来
    确定合理的样本点。为了构建所述响应面模型,本发明的试验设计选择最优拉丁超立方法
    算法,这种设计算法改进了随机拉丁超立方法设计的均匀性,使因素和响应的拟合更加精
    确真实,从而保证构建的近似模型在整个设计空间的近似精度。

    从步骤(3)所确定的拉格朗日方程中,代入床身立柱外形尺寸、结合面联接点相对
    位置尺寸、床身立柱的质量参数和转动惯量参数等相关尺寸,基于Matlab软件求解出动力
    学方程的质量矩阵和刚度矩阵,建立多自由度系统无阻尼振动的运动方程。多自由系统无
    阻尼自由振动的运动方程为:

    <mrow> <mi>M</mi> <mo>{</mo> <mover> <mi>q</mi> <mo>&CenterDot;&CenterDot;</mo> </mover> <mo>}</mo> <mo>+</mo> <mi>K</mi> <mo>{</mo> <mi>q</mi> <mo>}</mo> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

    其中M为系统的质量矩阵;K为系统的刚度矩阵;q、为系统的位移、加速度;

    以系统首阶固有频率作为设计目标,基于Matlab软件利用多自由度系统无阻尼自
    由振动的运动方程获得机床首阶固有频率与床身立柱结合面位置刚度参数的函数关系,并
    提取所述试验样本点响应值,为响应面拟合奠定基础。

    (5)构建二阶响应面模型,然后利用遗传算法循环逼近寻优技术对所述精密机床
    固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计。

    响应面模型是用显性的函数表达式来表示优化问题中隐性的所述设计变量与所
    述响应值之间的关系。所述基于响应面和遗传算法的精密机床固定结合面不同位置处刚度
    参数分配设计方法选择常用的具有较高准确性的二阶响应面模型,对于n个设计变量的所
    述二阶响应面模型可以表示为:

    <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>&beta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>&beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>&beta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

    式中:y为输出变量;xi为设计变量;n为设计变量的个数;β为待定系数;

    应用最优拉丁超立方法构造的变量样本点空间,共包含8个设计变量,基于Matlab
    软件求解获得机床首阶固有频率与床身立柱结合面位置刚度参数的对应关系,建立响应面
    模型。

    利用遗传算法对所述精密机床固定结合面不同位置的刚度参数进行分配设计,一
    方面能够充分地利用遗传算法的全局搜索能力,在较大规模的解空间中寻求全局最优解;
    另一方面,利用遗传算法的隐式并行性和强鲁棒性等特点,可充分减少问题的求解时间,提
    高问题的求解效率。所述遗传算法进行匹配设计时,每次选择迭代个体总数为120个,最大
    的运行代数为200。

    (6)利用有限元分析软件ANSYS验证优化结果

    将遗传算法所得到的精密机床固定结合面不同位置处刚度参数的最优分配关系
    结果赋予到床身立柱结合面上,导入到有限元分析软件ANSYS中,并添加约束,其中床身立
    柱等大件的材料属性设置如下:弹性模量为1.73×1011,泊松比为0.3,材料密度为7300kg/
    m3。床身与地面之间采用三点支撑的方式,固定住三个方向的自由度,进行模态分析。对刚
    度参数分配前后的首阶固有频率进行对比,如果刚度参数分配设计满足要求,则输出优化
    结果,并结束设计过程;否则,重新进行遗传算法寻优,直到满足设计要求为止。通过机床模
    型模态分析的结果证明本发明的分配设计方法是正确有效的,具有较强的可操作性。

    本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说
    明本发明的技术方案,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的。在不脱离本
    发明宗旨和权利要求所?;さ姆段榭鱿?,本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可
    做出很多形式的具体变换,这些均属于本发明的?;し段е?。

    关于本文
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