1、电动式激振器骨架的形状优化设计电动式激振器骨架的形状优化设计周临震.刘德仿盐城工学院 CAD 中心,江苏盐城 2244:)031 前言电动式激振器以其体积小,造价低,可靠高等优点而广泛应用于科研生产中电动式激振器主要由瞄系统可动部件(顶杆骨架及线嘲),点承弹簧匍壳体组成.nf动部件借助于支承弹簧板与壳体相连.可动部件和支承弹簧构成激振器的可动系统.骨架是 I 电动式黼振器可 l 动系统中的关键部件.其第一阶弹性同有频率影响澈振器的使用频率范罔,它决定融振器的最商使用频率 l 由于电动式激振器属于接触式激振器,当血用澈振器删量试件的同有频率时,如皋在激振器连接杆和被j11l 试件之间不加力传感器
2、时.测得的固有顺率和试件本身的 I 射有频率是有一定误差的.周勾澈振器-j 丁动系统的质量, 刚度都附加到被测试件 j 二圭了因此蟹减小激振器对被j10 试件附加质量的影响.拓宽潋振器的使厢频率范同提高其使用颧宽的上限,必须对骨架进“形状没汁.常规设计时,一般是帐据经验和实际情况来确定骨架的肋宽占,锥角 0 和厚度 h 骨架的安装空间受到支承弹簧板的限制时,就适当增大锥僧 0,以保旺潋振器在工作过程中骨架与支承弹簧板不发生运动涉由于骨架第一阶共振龋串髓锥角 0 的增加而 F 降.随厚度h,肋宽 6 的增加而增大,丽骨架的质量随厚度,胁宽 6的增力电增大,因此在形状设计过程呻 r 骨架的第一阶共
3、振额率和质量是一对矛盾采用常规设计计算时,需反复试算,计算牧率低.而且汁算结粜不一定完全满址没汁要求骨架的第一阶弹性固有频率取决于骨架的材料特性,支承条件和几何形状率盘在前而阿个条件希定的情况下,采用一组形状变化基向量米模拟骨架的边界彤状.运用 MSC.Naslr 丑|】软件对骨架的 rL 何形状进行 r 基于有限元分析的优化设计.使骨梨第一-阶惮性研有频率在满-足要求的前提下,保持其重量昂轻2 有限元建模E 型激振器使用的骨架结构如罔 I 所,从外形看骨架具有轴对称的结构特点.法骨架主要结构 R 寸为:啮宽汹 illlqt,骨架的锥角 0=-8=.骨架的厚度 h.=39n-m.其?阶弹性固有
4、频率为 223I.IHz.重量为 829.圈 lE 型在建立骨架的形状忧化有限元模型的过程巾,除考虑汁算精度和汁算规模外,还必须综合考虑 J 状变化基向量的产牛形状变化基向最是通过在辅助结构上施加强迫位移载荷来产生,rb 于强迫位移是诵过指定每一个常点移动的位移来实现结构变化的.为使产生的彤状变化基向量沿周向对称.必须保证辅蚴结构的点舒_布附周向是对称的为强制实现有限元模型节.分布滑周向对称在进行网格划分之前,町以辫骨架婚设汁模删衙周进行体分割.丹割 IJ 隔为列面体单元的长度由于骨架刈称结构.取坫构的一,#建模骨架的韧始有限元优化模型如 2 所示根据埘称边界条件,约求对称 f 结点的 2.4
5、,6 自小度由于激振器的支撑掸簧板轴向弹性系数与骨架本身的弹性模量相比是一个银小的量【晰住汁算骨架本身弹性恬 l 有颧半时,可以认为书架是抖轴向自由的 .在优化没计过程中.共定义两个子情况,一个情况用于结构的一所嘲有顿率;另一个子情况11F 计算站梅的重量和单膻力.3 优化设计数学模型的建立3f 目标函数于设汁变量对结构重量的灵敏度系数比对结掏一阶同有频率的灵敏度系数小很多.大约相差 2 个数量级,因此取固有频率)作为目标函数效果最好,而如果以结构重量最轻为目标函数,优化结果很容易陷入局部最优解,而非全局最优解.目标函数:x)-(tO“一 tO“0)min(1)式中,tO“ 一骨架的一阶弹性固
6、有频率;盯预期的目标值.3.2 形状变化基向量及设计变量在结构形状优化设计中用户必须告诉解算器结构形状变化的方式,而优化计算程序给出具体的变化量_5.结构形状变化的方式是通过形状变化基向量来反映的,形状变化基向量是通过辅助结构产生的.辅助结构是通过在原型结构的形状可动边界上增加梁(二维问题)或弯曲板(三维问题 )来产生的,辅助结构必须与原型结构具有相一致的节点,为获得形状变化基向量必须在辅助结构上作用虚拟载荷或强迫位移载荷.在形状优化过程中,骨架的下表面保持不变,外侧面只能轴向伸缩,所有减轻孔的两个内曲面也只能轴向伸缩,骨架的上表面可以任意变化,骨架的肋可以沿各自法线方向伸缩.基于骨架形状的变
7、化,取两个辅助结构,如图 3 所示图 3fa1 所示辅助结构用于产生骨架上表面变化的 3个形状变化基向量,为能精确控制形状的变化,通过施加强迫位移载荷来产生形状变化基向量.如图 4(a)表示骨架上表面沿轴向的常数量位移变形,图 4(b),(c)分别为上表面沿轴向的一次和二次位移变形,通过骨架上表面沿轴向的次向量和二次向量曲面的组合来模拟骨架上表面的几何形状.图 3(b)所示辅助结构用于产生骨架的肋沿其法线方向变化的形状变化基向量.其形状变化基向量如图 4(d)所示.设计变量分别为 4 个形状变化基向量的加权系数,臣:,.l234(2)62I 机械工程师 2006 年第 3 期3.3 约束函数约
8、束函数是优化设计过程中所必须满足的一些设计条件,对于形状优化问题,有性能约束,尺寸约束和边界约束三类,性能约束也称功能约束,是根据设计对象应满足的功能要求而建立的约束条件,尺寸约束规定了设计变量的取值范围,边界约束是控制结构的边界按设计者的要求进行变化.(1)性能约束由于激振器的工作原理是将线圈产生的电磁感应力通过骨架传送给顶杆,再由顶杆传给试件.因此骨架有一个很重要的功能是担任线圈和顶杆之间的力传递,则设计应力须小于材料的许用应力,骨架采用的铝合金,其许用应力为 240MPa,应力约束 O-o240MPa.(2)尺寸约束尺寸约束指设计变量的上下界约束,其中形状变化基向量一,二,三对应的 3
9、个设计变量的上限为 100,下限为一 100;形状变化基向量四对应的设计变量的上限为 1O,下限为一 1O.(3)边界约束在形状优化设计过程中,往往是结构的局部边界形状发生变化,而其它重要配合表面的边界形状不发生变化,为了保证在优化过程中结构的边界为我们所需要的,必须设置边界表面的节点在优化过程中的移动方向.4 优化结果及分析图 5 是形状优化设计后骨架的有限元模型(结构的一半).经过 l2 次优化设计循环,目标函数收敛到最优解,即在满足约束条件下,骨架一阶固有频率达到预期目标值 5600.4Hz.此时,骨架的整体结构重量为 478.6g.从图中可以看出,骨架边缘在轴向压扁,肋宽有所增加,这也
10、说明肋宽的大小对骨架一阶固有频率影响较大,肋宽的增加可使骨架的厚度减小,从而使整体结构的重量大大减轻.机床滚珠丝杠传动的改进设计王可,刘士阁.王淑芳闩工业学机械工程学院,辽宁阳 l】0021摘要:某专用数控铣床加工螺杆过程中 z 轴滚王朱丝杆长达 10m,相当于细长杆,既产生轴向弹性变形.又产生了扭转变形影响了螺杆加工精度,文中分析了原方案解决此问题存在白勺不足.并提出了改进措施.关键词:螺杆铣床.滚珠丝虹传动:弹性变形中圈分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:10022333(2006)03006302I 引言圈螺朴 7泛川 f 汕化l 仃业.愫“Ii 的螺中 f 订的蝠 r 二达
11、8,JillI 的【睐壤胨神 lff 需摄 Io-r 一.果川雌心也络 IJIII.+次 1I:而成 f 矧 I 听;.1:n-钎如罔 2 运动.整个 l 什一质鲢造 4000k.需耍他(的力.这种情况 F.丝札州当_IIlK 朴.舭产卜 J 托仲掸 1变形产 r 扭转变 J 睁,遗 l】一噤辛 1:成 Jl_;谈般柴号蝶扦铣床采用蛩称直侄 4,80tuttiI 旋滚动蝶艟甜杠.螺胖 I2Tnn1,最(轴向 J 勾 10000,最大:作度 It】1.定端皮带轮刮滚珠丝札螺母之 n;J 的蝗托受一灯力偶作刚 mj-生扭转变形.而 I.侔台有曲f_;成仲关系而产 q-批仲掸性变形.受力 lcl罔
12、3 所示2 弹性变形计算丝托螺距闳受轴向-j超掸?H:变.IB 汁算如:4丌rdD.i+2t,一 2;e=007(一 ft./21式_1.,一偏心距;c 甜 r)d 径 :广滚珠 轻.盘丧得du=7l44Illill;F-牲礼受的轴向力;E 一钟丰 J 料 n 掸-摸量.对于钢 E=206GPa一图 2 滚珠丝杠传动简图“喀 !攘琳托螺母 3.啦琳十 f4 们 uL 编码器 J?1 服电 6 志带轮 7 步肯孵特 8 卅力球峨 lu 同 lJ 求轴疃 101.作 fII 觑鬟 I18时 l!编 5 器PP_-彳图 3I 趔口载煎厂圈 4 丝杠预加载后受力简圈 J将 Jf凡符t 得:-052x7
13、144=3.7l488mllr:0.07xc3.71488 一 J=o.0100)I6IllfIIdl=80+2(J0100I62x371488=72.5902ill将 f 一边故播带人式(I)得 :=0140784x206xx26x10j.Il0“c7.):一5 结论(】面过辅助 -r!i 恂卅变形_l1.的常数量,?次蜒二攻量的线:卦 l 台.即彤状变化堪向鞋 .束榄拟骨住优化设 i 十过程?1,的结构形状,井将形状变化向鞋的加枉系数作 1 工 J 优化设汁变量(2)使川顿宽匀 5kIlz 圳骨裂世 frr 特构形状忧化汝计,对采用忧化后骨架的瀚振进行了蛳分析如 l6 斫求,从fi 线可
14、lI 看激振器的使顿宽.限丛刮丁棚斩的目的.井 LI 夫人降低 r 激振措对被 i:l0 戚 f1 附加质皱的影响参考文献i 娃淖.I.每 IL 础 A 一缸批虻世 JnJ-ItJ.,Ji 钉HIL,日:f.i99325,5l=ri3864刊强宽翱屯劫激掘的研究 l_】南耵:南啦札院Ig87【lIl 蛳.诧宅 MS(.eNactrI 旧 4虻化没 l玎,j 哀j201IIf:M(.t4,rl巾旧川 r 沱戈集 c200I4IIln,nd,1i-IIlII?IMNI1“14NuTMl1ll】.lLxlnM 一Neal 一-l_ PIllllrI:(|Matiun】99I5Ik.iJJm1.11t-lrIIHPnnl()tIIlrIlilMllJl【lenlifi 一1hiiiI 一 5tn1.|lIIllfl 川 PSlnJt:tu,-1JI,.mal-lfruid,L-CoJlro1.arKI)yna,.i-I99I.1419161临 1 激摭系垃的息特性 f 化蛙rI.2004性打简午:嗣】#裳 Il976.男.砸士究生.讲师振动州试神志键化设十垃镐日朝帅 50905:南采舡呲I 躺辩明涛 1兰皂研方向琦机机械工程师 20o6 年第 3 期 j63
