基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计

通过动力学分析得到了装置的固有频率与振型 ,但由于装
置是利用共振进行工作 ,振动幅度对强化抛光效果有非常大的
影响 ,装置有明确的振幅要求 ,为此对虚拟样机进行了谐响应
分析 ,判断振幅的大小 ,由振幅的大小来判断是否满足加工要
求 。根据设备的频率工作范围 ,只对前 3阶进行了分析 。根据
装置的实际激振情况 ,对 1, 2, 3 层施加激振器的力 Fz , Fy 和 Fx ,模拟实际振动情况 ,得到前 3 阶固频处的响应幅值如表 2 所示 。
图 2 振动槽结构图 变刚度弹性支承的力学模型如图 3所示 ,根据该模型知道 变化 l1 就可以改变系统的频率 [4 ] 。由频率要求初步计算出 [5 ] 第 1层板簧厚度为 15 mm ,长度为 150～250 mm;第 2层和第 3 层板簧厚度为 10 mm ,长度为 50～100 mm。在 Pro / E中建立了 振动强化抛光装置的虚拟样机模型 ,如图 4所示 。
particle swarm algorithm. And under the p rem ise of not increasing
the structural weight on the lam inated wing covering board to carried
out multi2target op tim ization design on the rigidity and stability of
文中计算了三维振动强化抛光振动台的前 5 阶固有频率
和振型 [2 ] 。以初始样机模型第 1层板簧长度 200 mm ,第 2 层
和第 3层板簧长度 80 mm 作为分析长度 ,得到固有频率值如表
1所示 ,振型如图 6所示 。
表 1 初始结构模型固有频率值
阶数 频率 /Hz
1 5. 754
2 7. 418
3
4
5
13. 219 18. 284 21. 369
图 3 变刚度支承的力学模型
图 4 三维振动台的三维样机模型
3 虚拟样机的动力学分析
为了进一步准确分析 样 机 的 固 有 频 率 、振 型 和 振 幅 , 将 Pro / E建立的样机模型导入 ANSYS进行动力学分析 。根据装 置工作的原理 ,为了得到准确的固频和振型 ,在进行动力学分 析时将 3根激振杆与连接板脱开 ,去掉对动力学分析无影响的
Fig 4 Tab 4 Ref 8
“J ixie Sheji”7784
3 收稿日期 : 2007 - 12 - 10;修订日期 : 2008 - 03 - 10 基金项目 :国家 863基金资助项目 (202AA421220) 作者简介 :曾国英 (1966 - ) ,女 ,四川绵阳人 ,副教授 ,硕士 ,研究方向 :机电一体化 、工程测试 。
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机 械 设 计
第 25卷第 11期
第 1阶振型 :连接第 1, 2层的板簧绕 z轴摆动 ,带动整体摆动 ;
第 2阶振型 :连接第 2, 3层的板簧绕 x轴摆动 ,带动整体摆动 ;
第 3阶振型 :整体结构沿 y轴上下平动 ;第 4阶振型 :整体结构
绕 z轴摆动 ;第 5阶振型 :整体结构绕 x轴摆动 。
[ 7 ] 刘佳 ,李丹 ,高立群 ,等. 基于自适应粒子群支持向量机的短期电 力负荷预测 [ J ]. 东北大学学报 (自然科学版 ) , 2007, 28 ( 9 ) : 1 229 - 1 232.
[ 8 ] 修英姝 ,崔德刚. 复合材料层合板稳定性的铺层优化设计 [ J ]. 工程力学 , 2005, 22 (6) : 212 - 216.
cover. The being put forward weighted ideal point method could
make the multi2target p roblem s be transformed more nimbly and
tersely into p roblem s of single2target op tim ization. D irected towards
1 三维振动台的工作原理
三维振动台用电动激振器按振动强化抛光的工艺参数所 要求的振频 (该频率也是系统的固有频率 )对振动台进行正弦
激振 ,使振动槽产生三维正交振动 。为保证振动强化抛光工艺 系统始终能在 5～16 Hz内的共振状态下工作 ,采用了悬臂梁式 完成对振动台固频调谐 ,图 1为三维振动装置示意图 。
图 5 初始结构实体模型
由振动理论知 ,低阶振型较高阶对结构的振动影响较大 ,
越是低阶影响越大 ,低阶振型对结构的动态特性起决定作用 。
又由于阻尼的存在使共振振幅减小 ,在相同的阻尼下 ,频率高
的共振幅度降低的程度比频率低的大 ,同时设备要求的频率为
5～16 Hz,故分析计算时取前 5～10阶即可 。
racy of op tim ization. Finally the op timal calculation was carried out
on four kinds of cover lam inated boards. The obtained data bears
referencing values on the design of layering parameters of lam inated
第 25卷第 11期 2 0 0 8年 1 1月
机 械 设 计
JOURNAL OF MACH INE DESIGN
Vol. 25 No. 11 Nov. 2008
基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计 3
曾国英 1 ,王建平 2
(1. 西南科技大学 制造学院 ,四川 绵阳 621010; 2. 绵阳职业技术学院 机械工程系 , 四川 绵阳 621010)
5 结论
(1) 建立了基于 Pro / E的三维振动台虚拟样机 ; (2) 对虚拟样机进行了动力学分析 ,得到了装置的各阶固 频 、振型与振幅 ; (3) 通过动力学分析发现虚拟样机的响应幅值过小 ,无法 满足加工要求 ; (4) 对三维振动台进行了结构优化 ,并与原结构进行了对 比 ,结果表明优化后的振动幅值有大幅度提高 ,达到了设计要 求。 优化后的样机已投入运行并通过验收 ,达到了设计要求 。 通过虚拟样机技术 ,缩短了振动台试制周期 ,同时也降低了制 造成本 。
the characteristics of lam inated board op tim ization, the strategy of
self2adap table inertia weighting and variation has been introduced
into the standard particle swarm algorithm , thus enhanced the accu2
三维振动台能产生 3向独立的振动 ,采用了 3层结构方式 , 所有支承均采用悬臂梁型弹性支承 ,结构原理如图 1所示 。第 1层台下面的 3支承互成 120°夹角布置以使振动台产生绕 z轴 和 x轴的摇摆振动 。第 1层 3个可调悬伸梁的水平变刚度弹性 支承承受整个系统的质量 ,并通过调节 3个水平方向弹性支承 悬伸量的方式调节系统固有频率 [2, 4 ] ,通过对 3个支承的激振 产生 y方向的振动 ;第 2层采用 4个竖直变刚度弹性支承 ,对 4 个变刚度弹性支承激振产生 x方向的振动 ;第 3 层结构与第 2 层相似 ,只是板簧的支承方式不一样 ,从而产生 z方向的振动 , 3 个方向的激振是互相垂直独立的 。采用激振器产生振动 ,振动 参数决定了强化抛光加工质量 ,为了减少能耗 ,使用很小的激 振力便可产生很强的振动 ,因此整个装置基于共振状态工作 , 以使能耗低 、振幅大 。
摘要 :首先介绍了三维振动台的工作原理 ,建立了振动台的虚拟样机 ,然后采用 ANSYS对虚拟样机进行了动力学分 析 ,得到了各阶频率 、振型与振幅 ,分析发现响应幅值较小 ,无法满足设计要求 。在此基础上 ,对三维振动台进行了结构 优化 ,优化前后的动力学分析表明 :优化后的幅值有大幅度提高 ,达到了设计要求 。
Layer ing param eters design of lam ina ted w ing cover ing board ba sed on particle swarm a lgor ithm
CHANG Nan, YANG W e i, ZHAO Feng ( School of Aeronautics, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China) Abstract: In the design of composite material w ing covering, the p roblem s of stability of upper cover and inside surface rigidity have at all times been emphatically followed closely. For the sake of researching the influences of cover layering parameters on cover sta2 bility and inside surface rigidity, this paper established the multi2 target op tim ization model of weighted ideal point method based on
w ing covering board in engineering p racticality.
Key words: lam inated board; weighted ideal point method;
particle swarm algorithm; op tim ization design; multi2target
2008年 11月
曾国英 ,等 :基于虚拟样机技术的三维振动台结构优化设计
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支撑件 ,因此实际导入的动力学实体有限元分析模型如图 5所 示 。对初始模型进行单元划分 ,然后加载求解 。
图 1 三维振动台的结构示意图
2 三维振动台结构虚拟样机的建立
设计时首先根据强化抛光容量确定振动槽的尺寸 ,振动槽 的结构如图 2所示 ,根据技术要求拟定的设计参数为 :磨粒装 载量 V = 50 L ,振动槽内腔直径 D = 440 mm ,装载后槽上端空高 度 H2 = 40～60 mm ,槽底为球面 : Rq = 230 mm ,整个 3层构件的 质量为 179. 1 kg。
表 2 初始模型响应幅值
阶数 ห้องสมุดไป่ตู้率 /Hz 幅值 /mm
1 5. 754 4. 19
2 7. 418 3. 81
3 13. 219
3. 28
通过谐响应分析发现响应幅值最大只有 4. 19 mm ,最小的
为 3. 28 mm ,振幅较小 ,无法满足加工要求 。
对比表 2和表 4 可以看出结构优化后的各阶固有频率振 动幅值均有大幅度提高 ,提高幅度约为 128% ～155%。
关键词 :强化 ;抛光 ;虚拟样机 ;有限元 ;优化设计 中图分类号 : TB123; TU318 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 2354 (2008) 11 - 0056 - 03
三维振动台是一种复杂的机电一体化设备 ,采用振动方法 完成对异型曲面零件如飞机发动机叶片等的强化抛光 。为了 达到好的强化抛光效果 ,必须使振动台面上的强化抛光介质与 工件之间在振动过程中有充分的碰撞与摩擦 ,从而提高振动强 化抛光的效率 。设计要求振动台在共振状态下工作 ,工作频率 在 5～16 Hz内可调 ,振幅达到 8～10 mm ,这就使设备的结构设 计非常复杂 ,对关键零件的结构尺寸 、设备的质量有非常严格 的要求 。为了缩短产品的设计制造周期 ,降低制造成本 ,在三 维振动台的设计中 ,首先采用理论建模方式初步确定设计参 数 ,然后采用 Pro / E建立装置的虚拟样机模型 ,在此基础上将模 型传送到 ANSYS中进行动力学分析 ,对三维振动台进行优化设 计 [1, 3, 6 ] 。