鍛造操作機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模與性能優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、大型鍛件是重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵零部件，其制造水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的集中體現(xiàn)。大型鍛件的制造取決于重載制造裝備的能力與水平，包括以鍛造壓機(jī)為代表的加工裝備和以鍛造操作機(jī)為代表的操作裝備，其中操作機(jī)是實(shí)現(xiàn)鍛造機(jī)械化和自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。雖然我國(guó)已擁有了萬噸級(jí)壓機(jī)的獨(dú)立設(shè)計(jì)和制造能力，而與之配套的大型操作機(jī)卻只能依賴國(guó)外的設(shè)計(jì)技術(shù)。重載操作裝備的落后嚴(yán)重制約了我國(guó)大型鍛件的制造能力和生產(chǎn)效率。因此，大力開展鍛造操作機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)的研究

2、，對(duì)提升我國(guó)大型裝備的制造水平意義重大。
　　本文緊密圍繞重載操作機(jī)的功能要求以及工作的安全性，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模分析，并以此為基礎(chǔ)完成了相關(guān)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，為操作機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。主要研究工作如下:
　　(1)操作機(jī)在夾持鍛件進(jìn)行鍛打作業(yè)的過程中，夾鉗將承受巨大而復(fù)雜的沖擊荷載。針對(duì)一種常見的鍛壓工況——操作機(jī)夾持長(zhǎng)棒料進(jìn)行精加工，對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型做出了改進(jìn)和完善，著重考慮了鍛件的塑性變形對(duì)鍛

3、造系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了單自由度等效。通過與商業(yè)軟件LSDYNA的計(jì)算結(jié)果以及前人工作的比對(duì)，驗(yàn)證了本文模型的實(shí)用性。研究結(jié)果顯示了準(zhǔn)確建模鍛壓接觸邊界條件對(duì)于模擬鍛造系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的重要性。同時(shí)，深入研究了鍛件的材料屬性對(duì)夾鉗所受最大荷載的影響。此外，還提出了一種基于彈塑性離散彈簧模型和Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ偷腻懺煜到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來進(jìn)一步提高夾鉗近端位置荷載峰值響應(yīng)的預(yù)測(cè)效果。
　　(2)為了更好地適應(yīng)不同工

4、作任務(wù)的要求，在前人工作的基礎(chǔ)上提出了一種基于綜合操作性能指標(biāo)的操作機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。選取速度性能、力承載性能以及運(yùn)動(dòng)解耦性能來全面評(píng)價(jià)操作機(jī)的操作性能，采用可操作性橢球的概念對(duì)這些性能進(jìn)行必要的量化評(píng)估，并根據(jù)操作性能對(duì)方向性的要求分別定義了速度性能和力承載性能的方向可操作度，然后引入全域性能的平均指標(biāo)和波動(dòng)指標(biāo)精細(xì)描述操作機(jī)在整個(gè)工作空間內(nèi)的操作性能，最后基于所提出的性能指標(biāo)采用多目標(biāo)遺傳算法NSGAⅡ完成了操作機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參

5、數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其綜合操作性能達(dá)到最優(yōu)，并通過與原設(shè)計(jì)的比較驗(yàn)證了所提出的性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化方法的實(shí)用性。
　　(3)考慮到操作機(jī)的重載特性，為避免因受力不均造成局部受力過大而危及機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性，在操作性能優(yōu)化工作的基礎(chǔ)上，對(duì)操作機(jī)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)受力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過靈敏度分析，以關(guān)鍵的機(jī)構(gòu)受力構(gòu)件在整個(gè)工作空間上的平均受力作為優(yōu)化目標(biāo)，并將操作性能優(yōu)化的研究成果作為約束條件引入模型中，通過同時(shí)最小化所選的受力對(duì)象來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)受力的合理分配

6、。優(yōu)化結(jié)果顯示在保證一定操作性能要求的基礎(chǔ)上，使機(jī)構(gòu)獲得了良好的受力性能。
　　(4)為減小鍛壓過程中夾鉗的動(dòng)態(tài)受力，提出了考慮操作機(jī)動(dòng)力學(xué)性能要求的優(yōu)化策略。首先為了方便系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的求解，提高優(yōu)化效率，對(duì)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了單自由度等效，并簡(jiǎn)要分析了機(jī)構(gòu)位形和各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件對(duì)機(jī)構(gòu)等效質(zhì)量和等效剛度的影響。然后結(jié)合前面的研究成果，對(duì)操作機(jī)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以尋求既能滿足操作性能和機(jī)構(gòu)受力性能要求，又能改善操作機(jī)被動(dòng)緩沖性能的設(shè)計(jì)方