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液压机本体的广义模块化设计

发布时间:2018-5-18
  (一)模块化设计的一般概念
  模块化设计是对在一定范围内的功能相同但性能、规格不同的产品进行分析、划分并设计出一系列功能模块。在对该产品族划分并合理创建出一系列模块的基础上,根据新产品的设计要求,将一组已存在的特定模块合理组合成模块化的新产品方案。
  模块化设计的优点在于缩短了设计和调试周期,产品更新换代快;易于产品的制造、装配、维修和回收;降低成本;保证产品的性能稳定可靠。可以较好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。
  模块化设计还可分为:
  (1)横向系列模块化设计在某一基型品种上,通过变换、增加或减少某些可互换的特定模块而形成变型产品。
  (2)纵向系列模块化设计在同一类型中对不同规格的基型产品进行变型产品设计。
  (3)全系列模块化设计纵向系列模块化设计加横向系列模块化设计。
  模块化设计已经广泛应用于机床、减速器、计算机、家用电器和家具等行业,它强调的是模块的通用化、标准化和系列化,其模块结构及其接口参数一般可以固定下来。这种产品系列模块化设计与划分的前提是:载荷、强度、刚度和材料特性参数不是模块结构划分的主要影响因素。
  但是液压机的本体结构随工艺、工况的不同而变化范围较大,形式复杂而多样,且要满足一定的强度、刚度要求,载荷是其主要的功能要求,因此,现有的一般的模块化设计技术不能满足其设计要求。
  (二)液压机广义模块化设计
  (1)模板模块在文献中,天津大学和天津锻压机床总厂提出一种基于模板模块的液压机机架结构模块化设计方法,即基于参数化、变量化、模块化集成设计的广义模块化设计。提出了采用模板模块的概念,将液压机各个结构模块按照不同的功能、不同的结构设计参数适用范围、不同的结构形式等整理划分出典型的模块结构形式。它具有特定的功能、结构拓扑布局,并包含着各种相关的设计规范和设计知识,在此基础上,根据用户需求可以快速设计出特定的液压机模块部件,并把这种典型的模块结构称为模板模块。
  为了使模板模块不但能够按照要求快速结构成形,而且要保证模型满足强度、刚度等要求。为此,采用了参数化造型技术和有限元变量优化技术。其中,参数化造型技术是模板模块结构标准化、设计知识标准化的基础,有限元变量优化分析是满足强度、刚度条件下选择合理结构参数的基础。
  液压机模板模块信息模型如图3—74所示,它由参数化实体模型和与之相关的数据信息模型组成。模板模块的参数化实体模型由三维CAD软件(如PIo/E,I—DEAS等)二次开发生成,包括特征参数信息和结构拓扑关系信息。数据信息模型存储着模板模块的设计支持信息,是液压机模块化设计系统中模块的信息核心。
  
  图1 模板模块信息模型
  结合天津锻压机床厂的实际情况,以该厂引进的三维CAD软件I—DEAS为设计平台(也是CAE分析的有效工具),进行液压机模块模板参数化造型设计。液压机模板模块结构由一系列参数驱动,对于某一模板对应相应的一组参数,如图3—75所示,模板模块的结构参数由模块化液压机设计系统输出,CAD软件从设计数据库中提取具体设计参数,生成具体的模块实例。
  变量优化信息是模板模块的核心信息,对于液压机本体三大梁的模块结构,影响其刚度的主要因素,一般是一些主筋板的厚度和形位几何参数,其结构拓扑关系基本不变,优化目的即为寻求主要结构参数(筋板厚度、筋板距离参数)的最优值。
  图2 为一下梁模板模块的结构简图。该模板模块上带移动工作台、液压垫,有三个顶出缸,工作台及液压垫有效尺寸范围一定。该模板结构中的各个参数与参数之间的关系由液压机设计人员提供,各个结构参数的选择由相关的设计规范库、标准库提供,其中影响结构强度、刚度的几个主要结构参数为有限元变量分析的结果。
  图2 下横梁模板模块结构示例
  图3 为液压机模块化设计的基本流程。根据用户提出的设计要求,在模块管理库中查询到相应的模板模块,并根据具体的设计参数确定模板模块中的所有结构参数,从而快速设计出满足要求的主结构机架。
  经实际应用证明模板模块的设计方法可以有效提高液压机本体机架结构的快速创建,为产品报价和详细设计提供可靠的信息。
  (2)柔性模块参考文献提出广义模块化设计是以柔性模块和实例模块为基础构建产品模块系统,并以选择柔性模块或由柔性模块生成的模块实例组成模块化产品的设计方法。
  
  液压机模块管理数据库
  图3 液压机模块化设计流程图
  所谓柔性模块是指对产品结构用参数化和模块划分方法得到的一组具有典型模块结构的参数化模型,它具有特定的功能、结构拓扑关系和相对固定的接口特征。当柔性模块的所有约束参数根据设计要求给定后,即可生成一个具体的结构件,称为柔性模块实例,它是柔性模块的派生物。
  根据功能将柔性模块实例进一步细分,可得到元结构。元结构是具有一定独立功能和固定拓扑关系最基本的结构单元。它在结构上不可再分,不具有独立的实体,只有图形上的独立功能意义。若将此基本结构用参数化模型表达,以适应不同尺寸系列的设计,则称为柔性元结构。
  图4所示为某三缸液压机的上横梁,图中圆圈所示部分的结构相同,分别用来支撑三个液压缸;圆角矩形所示部分的相同结构分别用以支撑四个预紧拉杆;小矩形所示部分是为增加上横梁横向支撑刚度而设置的T型加强筋结构。这些具有独立子功能的结构都是元结构。若以参数化模型来表达,以适应不同尺寸系列的元结构设计,则称为柔性元结构。
  柔性模块的创建是广义模块化设计的核心。广义模块化设计是融CAD设计和CAE分析于一体的设计方法。因此柔性模块的表达应在CAD设计和CAE分析中通用。然而,到目前为止,CAD和CAE的接口技术尚不完善,不能实现二者的无缝对接。因此,对柔性模块尚需分别建立CAD模型和CAE模型。
  柔性模块创建方法有两种:
  (1)基于实例的柔性模块创建即综合现有的成功实例,选出具有代表性的结构,对其进行CAE参数化建模,通过分析来确定其参数范围,从而得到对应于该参数范围的柔性模块。
  (2)基于柔性元结构的柔性模块创建从已经建立的元结构库中,检索出所需要的柔性元结构,输入设计结构参数将其实例化,然后在CAD平台上装配调整,消除干涉,将其拼合成新的柔性模块。如图
  
  1-拉杆支撑元结构 2-油缸支撵元结构 3-T形元结构
  图4 三缸液压机上横粱的虚拟模块和元结构
  图5 所示,为某组合框架式液压机上横梁的主要组成元结构。
  
  图5液压机上横梁主要元结构
  图6和图7所示为基于柔性元结构的一台液压机焊接上横梁的创建过程。基于柔性元结构的整体框架式液压机机身模块的创成方法与此相同。图8所示即为液压机机身的模型结构。
   
  图6 T形元结构拼合成上    图7 液压机上横梁柔性模块的创建
  横粱横向支撑侧边
  液压机产品族即是通过对柔性模块扩展而建立。如以单动薄板冲压液压机为例,选取产品族中载荷参数为2000kN,工作台有效面积为2m2的单缸液压机机架为样板模块(见图8),纵向向下可扩展为4000kN、8000kN、16000kN。载荷增加后,相应的工作缸尺寸可以很容易计算出来,而图8所示的样板模块在强度和刚度上显然不能满足,根据一定规则增加梁的高度,筋板厚度和上、下盖板厚度。然后进行有限元分析计算,结合参数化和变量化设计技术,并以机架材料允许的最大应力和最大变形作为评判标准,根据有限元分析结果,修改结构,从而可得到产品族中不同吨位的机架柔性模块族。
  产品族也可以横向扩展,如增大或减小工作台的有效面积。
  
  图8 液压机机身模型结构(柔性漠块)
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