鍛造操作機的動力學(xué)建模與性能優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、大型鍛件是重大技術(shù)裝備的關(guān)鍵零部件，其制造水平是一個國家綜合國力的集中體現(xiàn)。大型鍛件的制造取決于重載制造裝備的能力與水平，包括以鍛造壓機為代表的加工裝備和以鍛造操作機為代表的操作裝備，其中操作機是實現(xiàn)鍛造機械化和自動化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。雖然我國已擁有了萬噸級壓機的獨立設(shè)計和制造能力，而與之配套的大型操作機卻只能依賴國外的設(shè)計技術(shù)。重載操作裝備的落后嚴重制約了我國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基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)的研究

2、，對提升我國大型裝備的制造水平意義重大。
　　本文緊密圍繞重載操作機的功能要求以及工作的安全性，對其進行了運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(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，為操作機的設(shè)計提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。主要研究工作如下:
　　(1)操作機在夾持鍛件進行鍛打作業(yè)的過程中，夾鉗將承受巨大而復(fù)雜的沖擊荷載。針對一種常見的鍛壓工況——操作機夾持長棒料進行精加工，對其動力學(xué)模型做出了改進和完善，著重考慮了鍛件的塑性變形對鍛

3、造系統(tǒng)動力學(xué)性能的影響，并對系統(tǒng)進行了單自由度等效。通過與商業(yè)軟件LSDYNA的計算結(jié)果以及前人工作的比對，驗證了本文模型的實用性。研究結(jié)果顯示了準確建模鍛壓接觸邊界條件對于模擬鍛造系統(tǒng)動力學(xué)行為的重要性。同時，深入研究了鍛件的材料屬性對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梁單元模型的鍛造系統(tǒng)動力學(xué)模型來進一步提高夾鉗近端位置荷載峰值響應(yīng)的預(yù)測效果。
　　(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的操作機多目標優(yōu)化設(shè)計方法。選取速度性能、力承載性能以及運動解耦性能來全面評價操作機的操作性能，采用可操作性橢球的概念對這些性能進行必要的量化評估，并根據(jù)操作性能對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和波動指標精細描述操作機在整個工作空間內(nèi)的操作性能，最后基于所提出的性能指標采用多目標遺傳算法NSGAⅡ完成了操作機主運動機構(gòu)的參

5、數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使其綜合操作性能達到最優(yōu)，并通過與原設(shè)計的比較驗證了所提出的性能評價和優(yōu)化方法的實用性。
　　(3)考慮到操作機的重載特性，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，對操作機進行了機構(gòu)受力性能優(yōu)化設(shè)計。通過靈敏度分析，以關(guān)鍵的機構(gòu)受力構(gòu)件在整個工作空間上的平均受力作為優(yōu)化目標，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，通過同時最小化所選的受力對象來實現(xiàn)機構(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態(tài)受力，提出了考慮操作機動力學(xué)性能要求的優(yōu)化策略。首先為了方便系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的求解，提高優(yōu)化效率，對主運動機構(gòu)進行了單自由度等效，并簡要分析了機構(gòu)位形和各運動構(gòu)件對機構(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，對操作機進行了多目標優(yōu)化設(shè)計，以尋求既能滿足操作性能和機構(gòu)受力性能要求，又能改善操作機被動緩沖性能的設(shè)計方