CN107423512A - 一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法 - Google Patents

一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法，通过计算机辅助设计（CAD）建立三维模型，由多体动力学仿真软件建立虚拟样机（VPT）进行仿真及绘制作用力曲线，再通过计算机辅助工程（CAE）对现有参考型号的合模机构尾板进行静、动态性能数值模拟，计算出应力、刚度和模态频率阈值，定义尾板设计空间和非设计空间，寻求满足临界阈值的载荷最佳传递路径和满足加工工艺的大型尾板轻量化结构，最后通过数字化方法建立轻量化的模型，并进行分析验证，从而达到对大型压铸机尾板的轻量化设计。本发明综合应用多种数字化设计技术及变密度法拓扑优化设计技术，能够提升设计人员工作效率，降低大型压铸机尾板的重量，且能确保工艺可行性。

Description

一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及大型压铸机尾板生产设计技术领域，尤其是一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法。
背景技术
压铸机是压力铸造的基础设备，由合模机构、压射机构和控制***等部分构成，技术含量高，属机、电、液一体化的精密、复杂设备，广泛应用于汽车、航空航天、国防、轨道交通等行业。合模机构由尾板、机铰和动模座板构成，其作用不仅为模具的开合提供推力，而且为压射过程提供锁模力，每个压铸件生产循环周期都伴随着合模机构的一次开合动作，合模机构对压铸机的工作效率、可靠性以及铸件品质的影响作用显著。
传统的合模机构设计大多采用类比设计和经验设计，导致合模机构尤其是大型压铸机的合模机构体积庞大（重量大），工作效率低，能耗高，制造、安装和运输难度大，成本高。在轻量化、绿色制造发展趋势引领下，大型压铸机的轻量化设计已成为国内外压铸装备业界研究的热点。合模机构的轻量化设计是压铸机大型化和精密化必须突破的核心技术。在确保整机性能的基础上优化设计各机构部件，是大型压铸机轻量化的主导思想。
尾板是合模机构乃至压铸机整机中重量最大的部件，对于锁模力25000kN的压铸机尾板，单件重量超过25吨，开展轻量化设计的意义显著，尾板的轻量化设计是合模机构轻量化设计的基础。压铸机尾板工作过程受到机铰的推力，哥林柱的拉力以及油缸压力等载荷共同作用，受力工况复杂，尤其是机铰的推力，是经过扩力机构放大作用的载荷，既包含水平方向分力，又包含垂直方向分力，由于无法考虑扩力机构变形影响，各方向载荷大小通过理论计算方法很难准确获得，而轻量化的前提是保证尾板的力学性能，没有准确的载荷工况作为输入条件，就无法有效的进行优化设计。另外，大型压铸机尾板的材料是球墨铸铁，总体结构采用铸造，结合后续机械加工的方式生产，轻量化过程需要考虑制造工艺性能，对于现有加工方式不可制造成形的尾板结构，即使再轻量化也是没有意义的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种大型压铸机尾板的轻量化设计流程方法，快速评估大型压铸机尾板受到的实际载荷，能够基于量化的应力、刚度和振动等综合力学性能参数驱动，兼顾制造工艺性能，进而高效的进行轻量化优化设计，从而实现大型压铸机尾板的减重优化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法，包括如下步骤：S1：通过CAD软件建立大型压铸机合模机构的三维装配体模型。
S2：通过多体动力学仿真软件读入合模机构的三维装配体模型，建立压铸机合模机构的虚拟样机，对虚拟样机模型进行仿工况运动学仿真，绘制尾板与机铰的作用力曲线以及直铰与动模座板的作用力曲线。
S3：通过CAE软件建立压铸机尾板的离散化模型，将尾板与机铰之间的作用力作为输入条件，对优化前的尾板进行静刚度分析和模态分析，得到优化前的尾板的应力强度、刚度和模态频率参数，结合尾板优化目标，定义尾板静动态综合力学性能的阈值参数，作为优化设计和评定优化设计后的大型压铸机尾板参考性能的指标。其中，阀值参数包括应力强度、应变强度、变形量、刚度和模态频率。
S4：建立基于各向同性惩罚微结构模型的压铸机尾板的优化设计模型，定义模型的设计空间和非设计空间，以单元密度为变量，以尾板的应力强度、刚度和模态频率阈值作为约束条件，同时设定铸造工艺限定条件，以尾板体积或重量小作为目标函数。
S5：基于变密度算法进行尾板结构的拓扑优化，若优化后的尾板的应力强度、刚度和模态频率较优化前的参考性能指标相比，其相对变化量若在设定值ε以内，则继续迭代计算，否则，变更ε值，继续迭代，直至满足目标函数，输出单元密度云图以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率；
S6：读取单元密度迭代结果以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率结果，设定体积分数Vf参数，得到轻量化的尾板拓扑结构，根据该拓扑结构建立减重优化的尾板详细设计结构；
S7：通过CAE软件对优化后的大型压铸机尾板进行静、动态性能分析验证，并与尾板优化目标应力强度、刚度和模态频率性能参数进行对比，验证是否达到设计要求；
否则，继续执行步骤S4。
所述步骤S5中，拓扑优化主要从载荷传递路径和材料分布方式方向进行优化，拓扑优化过程中需要同时关注应力强度、刚度、模态频率和制造工艺性能。
所述步骤S4中，所述铸造工艺限定条件包括筋板最小厚度，最大厚度，筋板间距最小值，拔模角度、结构对称性。
本发明的有益效果是：通过采用上述方法，综合应用计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和虚拟样机（VPT）多种数字化设计技术以及变密度法拓扑优化设计技术，定制轻量化设计流程，显著提升设计人员减重优化设计的工作效率，能够有效降低大型压铸机尾板的重量，且能确保工艺可行性，降低设计和制造成本，实现绿色设计。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明中大型压铸机合模机构结构图。
图2是本发明中尾板与机铰作用载荷多体动力学仿真曲线结果示意图。
图3是本发明中尾板原始结构力学模型示意图。
图4是本发明中尾板优化设计模型示意图。
图5是本发明中尾板减重优化迭代过程曲线。
图6是本发明中尾板拓扑结构密度云图。
图7是本发明中尾板减重优化前后结构对比示意图。
图8是本发明中尾板轻量化设计前后结构刚度对比示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法，包括如下步骤：S1：通过CAD软件建立大型压铸机合模机构的三维装配体模型。
S2：通过多体动力学仿真软件读入合模机构的三维装配体模型，建立压铸机合模机构的虚拟样机，对虚拟样机模型进行仿工况运动学仿真，绘制尾板与机铰的作用力曲线以及直铰与动模座板的作用力曲线。
S3：通过CAE软件建立压铸机尾板的离散化模型，将尾板与机铰之间的作用力作为输入条件，对优化前的尾板进行静刚度分析和模态分析，得到优化前的尾板的应力强度、刚度和模态频率参数，结合尾板优化目标，定义尾板静动态综合力学性能的阈值参数，作为优化设计和评定优化设计后的大型压铸机尾板参考性能的指标。其中，阀值参数包括应力强度、应变强度、变形量、刚度和模态频率。
S4：建立基于各向同性惩罚微结构模型的压铸机尾板的优化设计模型，定义模型的设计空间和非设计空间，以单元密度为变量，以尾板的应力强度、刚度和模态频率阈值作为约束条件，同时设定铸造工艺限定条件，以尾板体积或重量小作为目标函数。
S5：基于变密度算法进行尾板结构的拓扑优化，若优化后的尾板的应力强度、刚度和模态频率较优化前的参考性能指标相比，其相对变化量若在设定值ε以内，则继续迭代计算，否则，变更ε值，继续迭代，直至满足目标函数，输出单元密度云图以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率；
S6：读取单元密度迭代结果以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率结果，设定体积分数Vf参数，得到轻量化的尾板拓扑结构，根据该拓扑结构建立减重优化的尾板详细设计结构；
S7：通过CAE软件对优化后的大型压铸机尾板进行静、动态性能分析验证，并与尾板优化目标应力强度、刚度和模态频率性能参数进行对比，验证是否达到设计要求；
否则，继续执行步骤S4。
所述步骤S5中，拓扑优化主要从载荷传递路径和材料分布方式方向进行优化，拓扑优化过程中需要同时关注应力强度、刚度、模态频率和制造工艺性能。
所述步骤S4中，所述铸造工艺限定条件包括筋板最小厚度，最大厚度，筋板间距最小值，拔模角度、结构对称性。
以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种大型压铸机尾板的轻量化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：通过CAD软件建立大型压铸机合模机构的三维装配体模型；
S2：通过多体动力学仿真软件读入合模机构的三维装配体模型，建立压铸机合模机构的虚拟样机，对虚拟样机模型进行仿工况运动学仿真，绘制尾板与机铰的作用力曲线以及直铰与动模座板的作用力曲线；
S3：通过CAE软件建立压铸机尾板的离散化模型，将尾板与机铰之间的作用力作为输入条件，对优化前的尾板进行静刚度分析和模态分析，得到优化前的尾板的应力强度、刚度和模态频率参数，结合尾板优化目标，定义尾板静动态综合力学性能的阈值参数，作为优化设计和评定优化设计后的大型压铸机尾板参考性能的指标；
S4：建立基于各向同性惩罚微结构模型的压铸机尾板的优化设计模型，定义模型的设计空间和非设计空间，以单元密度为变量，以尾板的应力强度、刚度和模态频率阈值作为约束条件，同时设定铸造工艺限定条件，以尾板体积或重量小作为目标函数；
S5：基于变密度算法进行尾板结构的拓扑优化，若优化后的尾板的应力强度、刚度和模态频率较优化前的参考性能指标相比，其相对变化量若在设定值ε以内，则继续迭代计算，否则，变更ε值，继续迭代，直至满足目标函数，输出单元密度云图以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率；
S6：读取单元密度迭代结果以及对应的尾板结构应力强度、刚度和模态频率结果，设定体积分数Vf参数，得到轻量化的尾板拓扑结构，根据该拓扑结构建立减重优化的尾板详细设计结构；
S7：通过CAE软件对优化后的大型压铸机尾板进行静、动态性能分析验证，并与尾板优化目标应力强度、刚度和模态频率性能参数进行对比，验证是否达到设计要求；
否则，继续执行步骤S4。
2.根据权利要求1所述的大型压铸机尾板的轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤S5中，拓扑优化主要从载荷传递路径和材料分布方式方向进行优化，拓扑优化过程中需要同时关注应力强度、刚度、模态频率和制造工艺性能。
3.根据权利要求1或2所述的大型压铸机尾板的轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤S4中，所述铸造工艺限定条件包括筋板最小厚度，最大厚度，筋板间距最小值，拔模角度、结构对称性。
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