【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于拓?fù)鋬?yōu)化，特別涉及一種繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，為了充分保證結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升運(yùn)動(dòng)性能，常常需要對(duì)尺寸結(jié)構(gòu)、形狀結(jié)構(gòu)、材料選擇等問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)的研究，而其中拓?fù)鋬?yōu)化就是重要的一環(huán)，尤其是在新時(shí)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展中cae復(fù)雜性不斷提升的背景下，將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用在cae之中，更是提升新品研發(fā)實(shí)效的必然途徑。拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)已知的設(shè)計(jì)變量、約束條件和受力狀態(tài)，以增加強(qiáng)度和減小質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，在給定區(qū)內(nèi)尋找材料的最優(yōu)分布方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。根據(jù)單元結(jié)構(gòu)的不同，結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要分為兩大類(lèi)：離散體結(jié)構(gòu)拓?fù)浜瓦B續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)洹Ｃ嫦蛄骸㈣旒艿瓤臻g結(jié)構(gòu)一般采用離散體拓?fù)鋬?yōu)化，引入基結(jié)構(gòu)的概念，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)每個(gè)單元結(jié)構(gòu)的去留進(jìn)行迭代；面向平面結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化，引入材料單元的概念，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)內(nèi)每種材料單元的去留進(jìn)行迭代。
2、如申請(qǐng)?zhí)枮閏n202410104969.7的專利公開(kāi)了一種用于非直線管件的繞包系統(tǒng)，包括繞包頭，所述繞包頭包括c形殼體、c形殼體內(nèi)且與其配合的c形齒輪、c形齒輪上的一個(gè)或多個(gè)料盤(pán)和c形殼體上且用于驅(qū)動(dòng)c形齒輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述料盤(pán)能自轉(zhuǎn)且其繞c形殼體的軸心公轉(zhuǎn)；該繞包系統(tǒng)還包括管件懸掛裝置、機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)械手和機(jī)械手上的視覺(jué)引導(dǎo)裝置，所述繞包頭設(shè)于機(jī)械手上且其缺口能經(jīng)過(guò)懸掛點(diǎn)，所述管件懸掛裝置采用多點(diǎn)懸掛的方式懸掛管件，所述視覺(jué)引導(dǎo)裝置能在繞包的過(guò)程中獲取管件的彎曲情況和懸掛點(diǎn)，所述繞包頭能在機(jī)械手和機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)配合下調(diào)
3、現(xiàn)有的繞包頭通常包括繞包頭支座、驅(qū)動(dòng)裝置、c形齒輪、張緊齒輪和傳動(dòng)齒輪等。繞包頭支座為連續(xù)的平面結(jié)構(gòu)，屬于連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的范疇。目前，常用的解決連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的方法主要有均勻化方法、水平集法、變密度法、獨(dú)立連續(xù)映射法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。
4、變密度法是一種將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為材料分布問(wèn)題的方法，核心思路可以描述為：人為假定一種密度值可變的材料，在拓?fù)鋬?yōu)化中，結(jié)構(gòu)的密度場(chǎng)是一個(gè)在整個(gè)結(jié)構(gòu)域內(nèi)定義的函數(shù)，用來(lái)表示不同位置的材料密度。通常情況下，密度場(chǎng)中的每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)中的一個(gè)單元或一個(gè)小區(qū)。密度場(chǎng)中的數(shù)值表示該位置處所占用的材料比例或密度。在拓?fù)鋬?yōu)化中，密度場(chǎng)通常取值范圍在0至1之間變化，且同宏觀彈性模型之間存在非線性關(guān)系。通過(guò)選取合理的材料插值模型和優(yōu)化求解算法，計(jì)算設(shè)計(jì)域內(nèi)材料單元的相對(duì)密度值，0表示該單元為空體需要移除，1表示該單元為實(shí)體需要添加，然后引入懲罰變量將中間密度值向0和1的方向進(jìn)行聚集，最終根據(jù)單元相對(duì)密度值的大小確定設(shè)計(jì)域內(nèi)材料的分布情況。由于變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法引入偽密度和懲罰因子的概念，計(jì)算效率和收斂性較其他幾種方法更好，同時(shí)實(shí)用性和通用性更好，更適用于繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決上述問(wèn)題，本專利技術(shù)實(shí)施例提供了一種繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，對(duì)繞包頭支座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行3d打印。所述技術(shù)方案如下：
2、一方面，本專利技術(shù)實(shí)施例提供了一種繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法包括如下步驟：
3、s1：建立繞包頭支座的初始模型。
4、s2：根據(jù)初始模型確定設(shè)計(jì)域并引入變形參數(shù)。
5、其中，設(shè)計(jì)域包括前端接觸區(qū)、非移動(dòng)性負(fù)載區(qū)和后端銜接區(qū)，所述非移動(dòng)性負(fù)載區(qū)包括張緊齒輪固定區(qū)3、傳動(dòng)齒輪固定區(qū)2和驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)1，所述變形參數(shù)包括避障開(kāi)口角度α、側(cè)緣終止位置y和直緣終止位置x。
6、s3：將驅(qū)動(dòng)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)1上。
7、s4：在載荷f下，基于變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)初始模型進(jìn)行變密度拓?fù)鋬?yōu)化得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
8、s5：對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輪廓進(jìn)行提取，基于輪廓和非移動(dòng)性負(fù)載區(qū)的尺寸約束，采用spaceclaim進(jìn)行模型重構(gòu)得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維模型。
9、其中，本專利技術(shù)實(shí)施例中的前端接觸區(qū)為c形結(jié)構(gòu)且其外緣上設(shè)有加強(qiáng)筋；所述后端銜接區(qū)位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一側(cè)，其沿前端接觸區(qū)的中線設(shè)置，其靠近前端接觸區(qū)的一端為與前端接觸區(qū)配合的弧形，其為等腰梯形或腰形結(jié)構(gòu)；所述避障開(kāi)口角度α為前端接觸區(qū)開(kāi)口處的變形角度，所述側(cè)緣終止位置y為繞包頭支座的寬度的二分之一，所述直緣終止位置x為繞包頭支座的長(zhǎng)度；所述張緊齒輪固定區(qū)3和傳動(dòng)齒輪固定區(qū)2均位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一端，所述驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)1位于后端銜接區(qū)靠近前端接觸區(qū)的一端。
10、具體地，本專利技術(shù)實(shí)施例中的張緊齒輪固定區(qū)3為第一圓孔且其位于前端接觸區(qū)的中線上，所述傳動(dòng)齒輪固定區(qū)2包括兩個(gè)第二圓孔，兩個(gè)第二圓孔分別位于第一圓孔的兩側(cè)且其以前端接觸區(qū)的中線對(duì)稱設(shè)置；所述驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)1為方孔且其位于后端銜接區(qū)的中線上。
11、其中，步驟s1具體包括：通過(guò)solidworks結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊建立繞包頭支座的初始模型。
12、其中，步驟s4具體包括：
13、s401：根據(jù)初始模型和變形參數(shù)建立設(shè)計(jì)域的函數(shù)；定義非移動(dòng)性負(fù)載區(qū)施加尺寸約束，定義前端接觸區(qū)的內(nèi)側(cè)對(duì)稱地向往施加載荷f。
14、s402：在前端接觸區(qū)和非移動(dòng)性負(fù)載區(qū)上選取若干個(gè)點(diǎn)作為變形點(diǎn)，分析在載荷f下的變形能力。
15、s403：設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)，所述拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)包括體積分?jǐn)?shù)、過(guò)濾半徑、驅(qū)動(dòng)力和懲罰因子。
16、s404：選擇材料。
17、s405：建立控制支座變形的多目標(biāo)函數(shù)，將所有變形點(diǎn)的柔度單目標(biāo)函數(shù)的無(wú)量綱形式加權(quán)定義為多目標(biāo)函數(shù)。
18、s406：根據(jù)多目標(biāo)函數(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)采用伴隨求解方法不斷迭代以獲得繞包頭支座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
19、具體地，在步驟s401中，設(shè)計(jì)域的函數(shù)為：
20、
21、
22、
23、
24、其中，為綜合目標(biāo)函數(shù)；為柔度目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；為剛度目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)；、分別為非線性形變目標(biāo)函數(shù)和剛度目標(biāo)函數(shù)；、y、α為變形參數(shù)；為優(yōu)化后的面積；為優(yōu)化前包絡(luò)模型面積；為0.5是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
25、其中，步驟s405具體包括：
26、s501：采用平均差值法，確定控制單個(gè)變形點(diǎn)的柔度單目標(biāo)函數(shù)。
27、s502：在所有變形點(diǎn)的柔度單目標(biāo)函數(shù)中引入權(quán)重系數(shù)，得到用于控制支座整體變形的多目標(biāo)函數(shù)。
28、具體地，在步驟s501中：
29、所述柔度單目標(biāo)函數(shù)為：
30、
31、其中，m(x,y,α)表示載荷f下所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)柔度目標(biāo)函數(shù)，xk和xk-1表示相鄰兩點(diǎn)x軸方向延伸量，yk和yk-1表示相鄰兩點(diǎn)y軸方向延伸量，αk和αk-1表示相鄰兩點(diǎn)的變形角度。
32、具體地，在步驟s502中：
33、所述多目標(biāo)函數(shù)為：
34、
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【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述前端接觸區(qū)為C形結(jié)構(gòu)且其外緣上設(shè)有加強(qiáng)筋；所述后端銜接區(qū)位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一側(cè)，其沿前端接觸區(qū)的中線設(shè)置，其靠近前端接觸區(qū)的一端為與前端接觸區(qū)配合的弧形，其為等腰梯形或腰形結(jié)構(gòu)；所述避障開(kāi)口角度α為前端接觸區(qū)開(kāi)口處的變形角度，所述側(cè)緣終止位置y為繞包頭支座的寬度的二分之一，所述直緣終止位置x為繞包頭支座的長(zhǎng)度；所述張緊齒輪固定區(qū)(3)和傳動(dòng)齒輪固定區(qū)(2)均位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一端，所述驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)(1)位于后端銜接區(qū)靠近前端接觸區(qū)的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述張緊齒輪固定區(qū)(3)為第一圓孔且其位于前端接觸區(qū)的中線上，所述傳動(dòng)齒輪固定區(qū)(2)包括兩個(gè)第二圓孔，兩個(gè)第二圓孔分別位于第一圓孔的兩側(cè)且其以前端接觸區(qū)的中線對(duì)稱設(shè)置；所述驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)(1)為方孔且其位于后端銜接區(qū)的中線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S4具體包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟S401中，設(shè)計(jì)域的函數(shù)為：
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟S405具體包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟S501中：
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟S502中：
10.繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，其特征在于，將如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行3D打印。
...【技術(shù)特征摘要】
1.繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述前端接觸區(qū)為c形結(jié)構(gòu)且其外緣上設(shè)有加強(qiáng)筋；所述后端銜接區(qū)位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一側(cè)，其沿前端接觸區(qū)的中線設(shè)置，其靠近前端接觸區(qū)的一端為與前端接觸區(qū)配合的弧形，其為等腰梯形或腰形結(jié)構(gòu)；所述避障開(kāi)口角度α為前端接觸區(qū)開(kāi)口處的變形角度，所述側(cè)緣終止位置y為繞包頭支座的寬度的二分之一，所述直緣終止位置x為繞包頭支座的長(zhǎng)度；所述張緊齒輪固定區(qū)(3)和傳動(dòng)齒輪固定區(qū)(2)均位于前端接觸區(qū)遠(yuǎn)離開(kāi)口的一端，所述驅(qū)動(dòng)裝置固定區(qū)(1)位于后端銜接區(qū)靠近前端接觸區(qū)的一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的繞包頭支座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述張緊齒輪固定區(qū)(3)為第一圓孔且其位于前端接觸區(qū)的中線上，所述傳動(dòng)齒輪固定區(qū)(2)包括兩個(gè)第二圓孔，兩個(gè)第二圓孔分別位于第一圓孔的兩側(cè)且其以前端接觸區(qū)的中線對(duì)稱設(shè)置；所述驅(qū)動(dòng)裝置...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：南浩，賈飛，章國(guó)華，汪朝暉，鄭澤呈，汪浩，費(fèi)令，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：湖北興和電力新材料股份有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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