一種加強(qiáng)筋的生長式拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于板件、箱體加強(qiáng)筋布局技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種加強(qiáng)筋的生長式拓?fù)?優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 技術(shù)背景
[0002] 加強(qiáng)筋布局對承載件提高剛度有著至關(guān)重要的作用，因此在工業(yè)生產(chǎn)中有經(jīng)驗(yàn)的 設(shè)計(jì)者往往會根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)結(jié)合車間中長期不變的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)出加強(qiáng)筋的布局，然后利 用分析軟件進(jìn)行模擬找出結(jié)構(gòu)中欠佳的地方，按照經(jīng)驗(yàn)添加或削減加強(qiáng)筋；但是這種經(jīng)驗(yàn) 設(shè)計(jì)非常缺少理論依據(jù)，屬于頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的方法，因此極難得到最優(yōu)的布局設(shè)計(jì)，不 僅浪費(fèi)材料、達(dá)不到目標(biāo)，而且對設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)儲備和工作量提出了很高的要求，增加企業(yè) 人工成本；除此之外，常見的拓?fù)鋬?yōu)化方法如"變密度法"得到的結(jié)果非常模糊，很難操作； 而在其它的加強(qiáng)筋優(yōu)化布局方法中，加強(qiáng)筋只能布置在節(jié)點(diǎn)之間，脫離不了節(jié)點(diǎn)的束縛，也 就無法得到最優(yōu)結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種加強(qiáng)筋的生長式拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方 法，提高了設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。
[0004] 為達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0005] -種加強(qiáng)筋的生長式拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0006] 1)設(shè)定生長點(diǎn)位置：在板件、箱體的受力區(qū)域、約束區(qū)域均勻的放置生長點(diǎn)，加 強(qiáng)筋將從生長點(diǎn)自主衍生出來；
[0007] 2)仿照主脈生長形式確定加強(qiáng)筋生長方向：步驟1)中設(shè)定的生長點(diǎn)為1個(gè)或多 個(gè)，每一個(gè)生長點(diǎn)均按照下面的方法來確定加強(qiáng)筋生長方向，以生長點(diǎn)為起始點(diǎn)分別向周 邊各個(gè)方向生長出一根固定長度的加強(qiáng)筋，然后利用剛度擴(kuò)散準(zhǔn)則計(jì)算加強(qiáng)筋布置在不 同方向時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能，并將應(yīng)變能取得最小值^寸的方向確定為加強(qiáng)筋的最終生長方 向；
[0008] 具體步驟如下：
[0009] 2. 1)建立不包含加強(qiáng)筋的基結(jié)構(gòu)有限元模型，并求解：首先在有限元分析軟件中 使用shell63建立不包含加強(qiáng)筋的待優(yōu)化板件或者箱體模型，這個(gè)模型稱為基結(jié)構(gòu)有限元 模型；提取基結(jié)構(gòu)有限元模型的剛度矩陣KKG，假設(shè)整個(gè)基結(jié)構(gòu)有η個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么矩陣KKG 為6*η階矩陣；然后給基結(jié)構(gòu)有限元模型加載力和約束，并求解基結(jié)構(gòu)有限元模型；此時(shí)從 求解結(jié)果中提取出受力信息、約束信息、節(jié)點(diǎn)信息、單元信息，其中受力信息包括：受力點(diǎn)編 號及坐標(biāo)、受力方向和大小，約束信息包括：約束點(diǎn)編號及坐標(biāo)、被約束的自由度，節(jié)點(diǎn)信息 包括：所有節(jié)點(diǎn)的編號及坐標(biāo)，單元信息包括：單元編號以及組成每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)編號；
[0010] 2. 2)計(jì)算初始應(yīng)變能J。：利用基結(jié)構(gòu)剛度矩陣KKG以及受力信息求基板節(jié)點(diǎn)位移 UUG，繼而求整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能函數(shù)，應(yīng)變能函數(shù)1= 0. 5XUUGT · KKG · UUG ;
[0011] 2. 3)求解加強(qiáng)筋的單元?jiǎng)偠染仃嘖 :如果需要在板件上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋就選 用2節(jié)點(diǎn)12自由度梁單元；如果在箱體中設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋則選用4節(jié)點(diǎn)24自由度殼單 元；此外，設(shè)定每個(gè)生長點(diǎn)每次生長出的一段加強(qiáng)筋用單獨(dú)一個(gè)梁或殼單元來模擬；設(shè)定 每次生長出的加強(qiáng)筋長度不超過基結(jié)構(gòu)長度的1/10及基結(jié)構(gòu)寬度的1/4 ;求解加強(qiáng)筋在基 結(jié)構(gòu)有限元模型所在坐標(biāo)系下的單元?jiǎng)偠染仃嚘?，其中梁單元的單元?jiǎng)偠染仃嚘獮?2階方 陣，殼單元的單元?jiǎng)偠染仃嚘獎(jiǎng)t為24階方陣；
[0012] 2. 4)求解轉(zhuǎn)換矩陣Τ :轉(zhuǎn)換矩陣Τ由兩個(gè)矩陣點(diǎn)乘得到，分別記為矩陣Η和矩陣 H〇, BP T=H · Hjj1 ；
[0013] 求解 Η:
[0019] 上式取基結(jié)構(gòu)η個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)i，定義該點(diǎn)坐標(biāo)為Χρ y;、zi;取加強(qiáng)筋上所 有m個(gè)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)j，定義該點(diǎn)坐標(biāo)為如果加強(qiáng)筋為梁單元，則m = 2,如 果加強(qiáng)筋為殼單元，則m = 4 ;dsp值為基結(jié)構(gòu)兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間距離的2-10倍；
[0020] 求解 H。：
[0021]
[0026] 上式取基結(jié)構(gòu)η個(gè)節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)p和q，定義這兩點(diǎn)坐標(biāo)
[0027] 分別為 xp、yp、zp和 xq、yq、zq;
[0028] 2. 5)求出總剛度矩陣KBB :通過KBB = Ττ · K · T+KKG得到總剛度矩陣KBB ;
[0029] 2. 6)計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)變能函數(shù)J :利用總剛度矩陣ΚΒΒ以及受力信息求基板節(jié)點(diǎn)位移 UUG，繼而求整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能函數(shù)，應(yīng)變能函數(shù)J = 0. 5XUUGT · ΚΒΒ · UUG ;
[0030] 2. 7)確定生長方向：按照步驟2. 1)-步驟2. 6)，分別求出加強(qiáng)筋在不同生長角度 下的單元?jiǎng)偠染仃嘖，并進(jìn)一步求出對應(yīng)的應(yīng)變能J，找出其中的最小的應(yīng)變能J_，最小的 應(yīng)變能1_所代表的方向即為加強(qiáng)筋應(yīng)當(dāng)生長的方向；
[0031] 3)判斷步驟2)生長出的加強(qiáng)筋是否應(yīng)該保留，其具體步驟如下：
[0032] 3. 1)按照步驟2)中方法，分別計(jì)算每個(gè)生長點(diǎn)長出加強(qiáng)筋后的應(yīng)變能變化值： A J = J〇_Jmin;
[0033] 3. 2)找出所有生長點(diǎn)中應(yīng)變能變化值最大者，設(shè)為Δ J_;
[0034] 3. 3)如果某一生長點(diǎn)的應(yīng)變能變化值高于的10%，則這一點(diǎn)生長出的加強(qiáng) 筋應(yīng)被保留下來；此時(shí)，新長出的加強(qiáng)筋的終止點(diǎn)被更新為下一次生長的起始點(diǎn)；同時(shí)更 新基結(jié)構(gòu)剛度矩陣KKG，其方法是將總剛度矩陣KBB的值賦給基結(jié)構(gòu)剛度矩陣KKG ;
[0035] 3. 4)如果某一生長點(diǎn)的應(yīng)變能變化值低于的10%，則這一點(diǎn)生長出的加強(qiáng) 筋不會保留下來；下一次生長的起始點(diǎn)仍沿用上一次生長的起始點(diǎn)，此外基結(jié)構(gòu)剛度矩陣 KKG也不做更新；
[0036] 4)迭代更新：重復(fù)步驟2)-步驟3)，直到整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能不再明顯變化為止；
[0037] 5)篩選加強(qiáng)筋布局：加強(qiáng)筋每一次生長均會降低結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)變能，從中找出應(yīng) 變能明顯下降的那幾次迭代，這幾步迭代所生成的加強(qiáng)筋布局就是最優(yōu)布局，保留下來；
[0038] 6)人工圓整：對保留下來的加強(qiáng)筋布局根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行人工圓整；
[0039] 7)驗(yàn)證：將人工圓整后的加強(qiáng)筋布局帶入分析軟件中分析，確保結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能合 乎要求。
[0040] 本發(fā)明的有益效果為：
[0041] 由于本方法不依賴長期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以能夠減少企業(yè)人工成本；由于本方法通 過計(jì)算應(yīng)變能來完成加強(qiáng)筋布局設(shè)計(jì)，所以能夠生成剛度明顯優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)且有數(shù)學(xué)依據(jù) 的結(jié)果；由于本方法依照植物葉脈的生長原理一步步生長出加強(qiáng)筋，所以可以得到清晰的 加強(qiáng)筋布局結(jié)果，方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行后期處理；由于本方法使用了剛度擴(kuò)散準(zhǔn)則計(jì)算應(yīng)變能， 所以生成的加強(qiáng)筋不必受到已有節(jié)點(diǎn)的束縛，可以自由布置，從而能得到最優(yōu)結(jié)果。
[0042] 與傳統(tǒng)加強(qiáng)筋布局設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明為加強(qiáng)筋布局設(shè)計(jì)提供了一種有明確力 學(xué)意義且操作簡單的方法，使用本方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既不必苛求設(shè)計(jì)者具備長期的設(shè)計(jì)經(jīng) 驗(yàn)，也不再需要重復(fù)性的模擬、改進(jìn)、再模擬的工作，明顯提高了設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而 能夠幫助企業(yè)更好地適應(yīng)變化迅速的市場競爭，實(shí)現(xiàn)更為良好的生產(chǎn)效益；與其它加強(qiáng)筋 優(yōu)化布局相比，本方法的結(jié)果更加清晰明確，同時(shí)擺脫了節(jié)點(diǎn)的束縛，所以也更貼近最優(yōu)結(jié) 果。
【附圖說明】
[0043] 圖1為實(shí)施例中生長點(diǎn)布置位置示意圖。
[0044] 圖2為對實(shí)施例進(jìn)行優(yōu)化后的加強(qiáng)筋布局結(jié)果，其中圖a是床身端部受力時(shí)的加 強(qiáng)筋優(yōu)化布局結(jié)果，迭代步數(shù)為6,圖b是床身中部受力時(shí)的加強(qiáng)筋優(yōu)化布局結(jié)果，迭代步 數(shù)為13。
[0045] 圖3是實(shí)施例床身在中部受力時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能隨加強(qiáng)筋迭代生長次數(shù)變化 的示意圖。
[0046] 圖4是對實(shí)施例床身中部受力時(shí)加強(qiáng)筋優(yōu)化布局結(jié)果的處理過程示意圖。
[0047] 圖5是對實(shí)施例床身端部受力時(shí)加強(qiáng)筋優(yōu)化布局結(jié)果的處理過程示意圖。
[0048] 圖6是實(shí)施例端部受力加強(qiáng)筋布局圖和中部受力加強(qiáng)筋布局圖合成后的設(shè)計(jì)圖。
[0049] 圖7是實(shí)施例人工圓整后的加強(qiáng)筋布局形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合某型號銑床床身的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0051] -種加強(qiáng)筋的生長式拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：
[0052] 1)、設(shè)定生長點(diǎn)位置：選擇承載導(dǎo)軌的端點(diǎn)位置作為生長點(diǎn)位置，如圖1所示，即 在兩條導(dǎo)軌的四個(gè)端點(diǎn)位置設(shè)定四個(gè)生長點(diǎn)；
[0053] 2)、仿照主脈生長形式確定加強(qiáng)筋生長方向：
[0054] 以步驟1)中設(shè)定的四個(gè)生長點(diǎn)為起始點(diǎn)，分別向周邊16個(gè)方向生長出長度為250 毫米的加強(qiáng)筋，然后計(jì)算加強(qiáng)筋布置在不同方向時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能，并將應(yīng)變能取得最小值 J_時(shí)的方向確定為加強(qiáng)筋的最終生長方向；接下來依照相同的方法從上一次生長出加強(qiáng) 筋的終點(diǎn)開始繼續(xù)生長加強(qiáng)筋；其具體步驟如下：
[0055] 2. 1)建立不包含加強(qiáng)筋的基結(jié)構(gòu)有限元模型，并求解：首先在有限元分析軟件中 使用shell63建立不包含加強(qiáng)筋的銑床床身模型，稱為基結(jié)構(gòu)有限元模型；提取基結(jié)構(gòu)有 限元模型的剛度矩陣KKG，整個(gè)基結(jié)構(gòu)有186個(gè)節(jié)點(diǎn)，因而矩陣KKG為6*186階矩陣；然后 向基結(jié)構(gòu)有限元模型施加力和約束，并求解基結(jié)構(gòu)有限元模型；此時(shí)從求解結(jié)果中提取出 受力信息、約束信息、節(jié)點(diǎn)信息、單元信息，其中受力信息包括：受力點(diǎn)編號及坐標(biāo)、受力方 向和大小，約束信息包括：約束點(diǎn)編號及坐標(biāo)、被約束的自由度，節(jié)點(diǎn)信息包括：所有節(jié)點(diǎn) 的