便携式刚度测试仪结构优化设计

第34卷第3期 VoL34No．3 锻 层技 幺’ FORGING＆STAMPINGTECHNOLOGY 2009年6月 Jun2009 便携式刚度测试仪结构优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 赵立红1，郑玉峰2．江树勇1．邢忠文3 (1．哈尔滨工程大学工程训练中心，黑龙江哈尔滨150001；2．哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院， 黑龙江哈尔滨150001；3．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：研制出可广泛应用于实际生产现场的汽车覆盖件便携式刚度测试仪，实现了对汽车覆盖件刚度的生产现场 实时检测，填补了国内此项空白。通过数值模拟 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对机架结构进行了优化设计，与原设计相比，优化后的机架强 度获得提高。刚度测试仪可以针对各类曲面形状覆盖件上的任意点做三维空间任意调整，以完成对被测点施加法 向载荷，从而准确测出被测点刚度。 关键词：覆盖件刚度}便携式刚度测试仪；结构优化 DOI：10．3969／j．issn．1000-3940．2009．03．032 中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1000-3940(2009)03-0117-04 Optimizedstructuredesignofportablestiffnesstestinginstrument ZHAOLi-hon91，ZHENGYu-fen92，JLANGShu-yong'，SINGZhong-wen3 (1．EngineeringTrainingCentre，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China， 2．CollegeofMaterialsScienceandChemicalEngineering，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China； 3．SchoolofMechatronicsEngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China) Abstract：Theportablestiffnesstestinginstrumentwidelyusedinproductionofautomobilepanelswasdeveloped，and thereal-timeon-sitestiffnesstestingofautomobilepanelstiffnesswasrealized。whjchfilledthegapinthisarea．The optimumdesignwascarriedoutforframeworkoftestinginstrumentbynumericalsimulation，andthestrengthof frameworkwasincreasedcomparedtOtheoriginaldesignaftertheoptimization．Thestiffnesstestingcouldbeper- formedonarbitrarypointofthree-dimensionalspaceofcurvedsurfacebyadjustingthestiffnesstestinginstrument，and measurethestiffnessaccurately． Keywords：automotivepanelstiffness；portablestiffnesstestinginstrument；structuraloptimization 汽车工业是衡量一个国家工业水平的重要标志， 已被主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经 济的支柱产业。经济全球化和世界市场一体化的加 速发展，激化了汽车制造业间的竞争，进一步缩短 汽车改型换代的周期，提高汽车品质已成为竞争取 胜的决定因素。目前，汽车覆盖件结构设计的发展 趋势是：(1)轻型化，成形中大量采用高强度超薄 钢板(厚度在0．7n25n以下)和轻型材料，结构设 计中去掉了保持覆盖件刚度的内部框条；(2)外形 趋于平坦。这种趋势使人们对汽车覆盖件板材的使 用性能提出了更高要求[1’5]，使汽车覆盖件的刚度问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 越来越受到关注[6]。汽车覆盖件的刚度是指覆盖件 抵抗静态变形的能力，当汽车行驶过程中，在外部静 态载荷或在震颤作用下，汽车覆盖件不至于产生震动 与塌陷。刚度不足，不仅会造成产品形状精度不良， 收稿日期：2008一II一21；修订日期：2009—02—20 作者简介：赵立红(1968一)，女，博士，讲师 电子信箱：Zhaolihon9007@163．corn 组装后容易变形，而且还会在汽车行驶过程中产生噪 音，影响乘员健康，降低汽车使用寿命。刚度是反映 覆盖件使用性能的一项重要指标[7-13]。 目前，能够用仪器进行的覆盖件刚度测试大都 是在抗凹试验机上进行，而且均是大型框架式结构， 由于其重量、体积的限制，无法广泛应用于实际生 产的现场测量中。为此，从仪器设备的轻巧、便于 携带、方便、实用及测量结果准确性等多方面考虑， 设计一种便携式刚度测试仪器，不仅可以改善以往 大型框架式设备测量的笨重不便，同时力求提高测 量的准确度和精度，对指导实际生产有很高的实用 价值。在整个仪器的各个组成部分中，机架是一个 极其重要的部件，是加载系统等的载体。而且在仪 器工作过程中，由于对覆盖件施加载荷会给机架带 来反作用力，在机架使用合适材料的前提下，如果 其结构设计不合理，会导致机架的强度和刚度不足， 产生变形，从而影响仪器的测量精度。而本文中设计 的刚度测试仪器为满足便携性，机架部分由铝合金制 万方数据 118 锻 压 技 术 第34卷 成，因此机架在一定载荷作用下产生的弹性变形成为 影响刚度测量准确度的主要因素之一。利用有限元方 法分析机架的结构、几何尺寸与应力特性的关系，从 整体上把握机架结构的受力及变形特性，对机架结构 进行优化设计，既可为该仪器能否正常安全地使用提 供理论上的依据，也是保证和提高刚度测量仪器便携 性、测量准确性的有效方法。 1 便携式刚度测试仪系统组成 1．1刚度测试仪总体 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 从便携式刚度测试仪的结构设计，及目前各种 尺寸汽车覆盖件上各部位可完成刚度测试的前提下， 以尽量减轻设备整体重量为出发点，考虑对便携式 刚度测试仪采用单悬臂梁组合式结构。结构设计方 案的优点为：(1)可针对各类曲面形状覆盖件上的 任意点做三维空间任意调整，以完成对被测点施加 法向载荷，从而准确获得覆盖件的刚度；(2)组合式 结构，更加便于测试仪的携带、运输及现场安装。 刚度测试仪的总体结构设计见图1，整个系统 主要由机械系统、测控系统、测控软件系统组成。 1卜r压—历●———4j订—三一人机界面l；．I焦壁矍I 1塞I；i_工工i嚏卜鏊—荔愁』 图1刚度测试仪总体结构设计框图 Fig．1Structuraldigraphofportablestiffnesstestinginstrument 1．2机械系统结构设计 刚度测试仪的机械系统主要由机架(包括横梁 和立柱)及加载机构两部分组成。机架整体结构设 计应满足重量轻且刚度高，抗失稳能力强。相对实 验平台，横梁可以上下移动及定位。加载系统在横 梁的长度方向可以任意移动及定位，在垂直于横梁 的平面内可以360。调整及定位，在与横梁形成的平 面内可以土20。内任意调整及定位。便携式刚度测 试仪机械结构设计简图如图2所示。 2机架结构优化设计 刚度测试仪的机架主要由横梁和立柱两部分组成 (图2)。其中横梁和立柱上均安装有精密滚珠丝杠， 使得横梁可沿立柱上下移动(有效范围1000mm)及 定位，同时横梁上安装的加载系统也可沿横梁水平 图2刚度测试仪机械结构衙图 Fig．2Machinestructuraldiagramofstiffnesstestinginstrument 移动(有效范围750ram)及定位，从而达到仪器工 作时所要求的测量位置和状态。为此，对于测试仪 的横梁和立柱的设计，首先利用有限元分析软件 ANSYs对机架进行三维建模，研究机架的结构、 几何尺寸与应力特性的关系，从整体上把握机架结 构的受力及变形特性，对该仪器能否正常安全的使 用提供理论上的依据，同时能够对测量误差的补偿或 精度的进一步改善给予比较优化的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 2．1机架有限元模型的建立 机架的刚度，主要是考虑在横梁的不同位置处 施加工作载荷时机架会产生的弹性变形。建模过程 中考虑仪器机架的螺栓等小连接件对机架整体分析 的影响很小，在建模时被省略掉；未考虑传动件的 间隙等影响因素；横梁上固定箱体等作自重载荷考 虑。因此，机架最后简化为由横梁和立柱组成的简 单模型，其有限元模型如图3所示。 图3机架有限元模型 Fig．3Finiteelementmodelofframe 机架横梁和立柱所用材料为LYl2，主要性能参数 见表1。横梁和立柱的截面均是圆环，尺寸见表2。 表1材料LYl2主要性能参数 Table1 PerformanceparametersofmaterialLYl2 万方数据 第3期 赵立红等：便携式刚度测试仪结构优化设计 119 衰2机架的几何参数(mm) Table2 Geometricparametersofframe(mm) 在设计中，为保证测量的准确性，机架立柱的 底部建立边界条件时考虑为全约束形式。另外，应 用仪器测量前，横梁在立柱上移动至所需位置后， 通过相应机构锁紧，使之位置固定不动，因此，这 里也作全约束形式考虑。 整个机架所受载荷由两部分组成，包括机架所 受重力载荷及仪器工作时机架所承受的反作用力。 经计算，静载时横梁所受重力载荷包括：步进电机 5N，摆动箱体52N，加载箱体16N，精密滚珠丝 杠2N，箱体内支撑轴、加载光杠、蜗轮、蜗杆和 两个齿轮共16N，合计重力载荷91N，考虑所忽略 的其他连接件和传动件，最后估算横梁所受重力载 荷为100N。在建模时，为表现机架变形极限情况， 机架所受自重载荷作均布载荷考虑，施加长度为 130mm，因而经计算均布载荷数值为769．2N·m-1。 当仪器工作时，加载系统中的电机通过滚珠丝杠带 动加载光杠对被测覆盖件施压，而整个机架即承受 此压力的反作用力。因此，在模拟分析中，机架上 所需施加载荷为均布载荷(方向垂直向下)及工作载 荷(方向垂直向上)。选择外加最大工作载荷300N 时的极限工作状况进行分析，即横梁位置固定于立 柱最上端，且加载系统位于横梁上距立柱最远端处。 这种情况为受外载时机架变形的最大状态。 此时，机架在工作空间内整体变形状况如图4 所示，立柱基本未发生弹性变形，而横梁上各处变 形不均匀，最大变形处为横梁距立柱最远端，最大 变形值为0．522×10一mm。 图4极限状态机架变形云图 Fig．4Framedistortionfigureoflimitedworkingstatus 通过上述分析可知，如果计算机架的刚度，即 可在横梁上施加工作载荷F(数值可从0增加到 300N)，然后通过ANSYS计算出该处的位移艿，机 架的刚度就表示为K7=F／8。这样，通过有限元分 析，能够获得不同外部载荷作用时，机架在各种工 作状态下的变形情况，从而对机架的刚度是否满足 设计要求有一个理论上的判断。 2．2机架结构的优化设计 ANSYS的优化设计是通过产生一系列的有限 元设计而获得较优化设计的计算机技术。优化设计 技术必须借助于参数化有限元分析过程才能实现。 正确选择设计变量和构造目标函数是优化设计问题 的关键。ANSYS基于有限元分析的优化设计技术 就是在满足设计要求的条件下搜索最优设计方案。 基于参数化有限元分析过程的设计优化包括下 列基本要素：设计变量(DV)、状态变量(SV)和 目标函数(0BJ)，都是标量参数。 设计变量是优化分析中的独立变量，形式为： z一[z1，X2，z3，⋯，z材] (1) 式中：nd为设计变量的个数。设计变量受到带上、 下限的nd个条件限制： 兰≤Zi≤五(i=1，2，3，⋯,rid)(2) 状态变量是因变量，因为随设计变量的变化而 变化。典型优化设计的数学表达式为： f=，(z) (3) 限制条件如下： gf(z)≤gi(i一1，2，3，⋯，7／／1)(4) h≤hi(z)(i一1，2，3，⋯，77／2)(5) 型≤毗(z)≤砸(i一1，2，3，⋯，7n3)(6) 式中：，为目标函数；gi，hi，毗为限制优化设计 的状态变量，上、下划线分别表示其上、下边界； m。，mz，m。为限制设计的状态变量的个数。 式(3)表明一个受限制的最小化问题，使在式 (2)、式(4)～式(6)限制下实现目标函数最小化。 ANSYS可进行最多60个设计变量、100个状 态变量的优化分析。满足设计变量约束条件和状态 变量约束条件的所有设计变量的值构成最优化设计 空间。目标函数只有在设计空间内的取值才是合理 的，满足所有限制条件的设计称为可行设计，若有 超过一个的限制条件未被满足，则该设计成为不可 行设计。ANSYS在优化过程中，总是通过一系列的 设计变量，得到状态变量和目标函数值。每一组设计 变量、状态变量和目标函数值称为—个设计序列。 如设计序列集合中产生可行性设计(Feasible Sets)，则最优设计就是可行性设计中目标函数值最 小的；如未产生可行性设计，则最优设计就是最接 近可行的设计序列，无论其目标函数值的大小。 万方数据 锻 压 技 术 第34卷 (1)目标函数的建立。优化设计过程就是一个 反复优化改变设计变量以便在满足状态变量限制条 件下使目标函数变量参数逼近最小值。因此，取机 架的总变形作为优化的目标函数： MinF(B)一∑3i (7) z=1 (2)设计变量。设计变量为自变量，通过改变 设计变量的数值取得优化结果。分别取横梁和立柱 的内径r，外径R和壁厚t作为优化设计变量。 (3)约束函数。根据仪器功能及便携式要求， 需：80mm≤r≤100mm；i00mm≤R≤120mm； 10mm≤t≤15mm。 (4)优化设计结果。优化设计计算时采用的有 限元模型同前。优化后，横梁和立柱的内径为 82nlnl，外径为110mm，壁厚为14mm。机架弹性 变形的最大值减小到0．342×10一mm，总变形云图 如图5所示。优化设计后机架的刚度获得提高。 图5优化后机槊总变形五图 Fig．5Framedistortionfigureafteroptimizing 从上述分析可知，机架在工作状态下的弹性变 形量tied,，最大值不超过0．004tLm，因此，在仪器 使用过程中不会由于机架自身的变形而影响测量的 精度，即机架刚度满足整体设计要求。 最终完成的便携式刚度测试仪的机械部分如图 6所示。其技术指标为：机架有效高度1000mm； 机架有效宽度1500n21n；载荷测量范围0--一300N； 载荷测量精度±0．3％；位移测量范围0"--30mm； 位移测量精度土0．2％。 图6便携式刚度测试仪本体 Fig．6Portablestiffnesstestersystem 3 结论 研制出一套较为合理、可广泛应用于实际生产 现场的汽车覆盖件便携式刚度测试仪。完成便携式 刚度测试仪的总体机械设计方案，并通过有限元分 析软件ANSYS对机架结构进行了优化设计，优化 后的机架与原设计相比机架刚度获得了提高。开发 的便携式刚度测试仪可以针对各类曲面形状覆盖件 上的任意点做三维空间任意调整，以完成对被测点 施加法向载荷，从而准确获得覆盖件的刚度。便携 式刚度测试仪的组合式结构，体积小，重量轻，精 度高，更加便于测试仪的携带、运输及现场安装。 参考文献： StelanH．BertilE，ThilderkviStP．Evaluationofsheetmetal formabilitybytensiletests口]．JournalofMaterialsProcess— ingTechnology，2004，145(1)：72—83． DanielD，GuigliondaG，LitalienP，etaLOverviewoffom— ingandformabilityissuesforhighvolumealuminumcarbody panelsEJ]．MaterialsScienceForum。2006，l：519—521． LanF，ChenJ，LinJ．AmethodofconstructingsmoothtOOl surfacesforFEpredictionofspringbackinsheetmetalform- ingEJ]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2006， 177(1)：382—385． LogueB，DingleM，DuncanJLSide-wallthicknessindraw dieforming口]．JournalofMaterialsProcessingTechnology， 2007，182(13)：191—194． ChoiY，YeoHT，ParkJH，eta1．Astudyonpressforming ofautomotivesub-framepartsusingextmdedaluminumpro- file[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2007， 187(12)：85—88． YoshidaI(．日本车身成形工艺发展趋势[A]．世界塑性加 工最新译文集[c]．北京：机械工业出版社，1987． AsnafiN．Onstrength，stiffnessanddentresistanceofcar bodypanelsEJ]．MaterialsProcessingTechnology，1995， 49：13—31． GunnarE，AsmfiN．Ontestingofthestiffnessandthedent resistanceofautobodypanels[J]．MaterialsandDesign， 1998，19：145—156． FinnMJ，GalbraithPC，WuL，etal．Useofacoupledex— plicit-implicitsolverforcalculatingspring-backinautomotive bodypanelsI-J-I．MaterialsProcessingTechnology，1995， 50：395—409． StefanH．PerT．InfluenceofmaterialpropertiesandstarrI- pingconditions01'1thestiffnessandstaticdentresistanceofauto- motivepanelsD]．MaterialsandDesign，2002，2：681—691． GunnarssonL，SchedinEh11pro、ingtheprope而esofexterior bodypanelsinautomobilesusingvariableblankholderforce[J]． MaterialsProcessingTechnology。2001，6：168—173． YangYY。ZhaoLH。SunZ五Experimentstudyonshape defectofcylindershallowshellI-J]．MaterialsScienceFo— rum。2006，532—533：921—924． 赵立红，杨玉英，孙振忠．汽车覆盖件刚度评价指标的研究 D]．材料科学与工艺，2004，12(4)：425—428． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 加 n 他 埒 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 万方数据 便携式刚度测试仪结构优化设计 作者： 赵立红， 郑玉峰， 江树勇， 邢忠文， ZHAO Li-hong， ZHENG Yu-feng， JIANG Shu- yong， XING Zhon-gwen 作者单位： 赵立红,江树勇,ZHAO Li-hong,JIANG Shu-yong(哈尔滨工程大学,工程训练中心,黑龙江,哈 尔滨,150001)， 郑玉峰,ZHENG Yu-feng(哈尔滨工程大学,材料科学与化学工程学院)， 邢 忠文,XING Zhon-gwen(哈尔滨工业大学,机电工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001) 刊名： 锻压技术 英文刊名： FORGING & STAMPING TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009,34(3) 参考文献(13条) 1.Finn M J;Galbraith P C;Wu L Use of a coupled explicit-implicit solver for calculating spring-back in automotive body panels[外文期刊] 1995 2.Gunnar E;Asnafi N On testing of the stiffness and the dent resistance of auto body panels[外文期刊 ] 1998(4) 3.Asnafi N On strength,stiffness and dent resistance of car body panels 1995 4.Yoshida K 日本车身成形工艺发展趋势 1987 5.Choi Y;Yeo H T;Park J H A study on press forming of automotive sub-frame parts using extruded aluminum profile[外文期刊] 2007(12) 6.Logue B;Dingle M;Duncan J L Side-wall thickness in draw die forming[外文期刊] 2007(13) 7.赵立红;杨玉英;孙振忠 汽车覆盖件刚度评价指标的研究[期刊论文]-材料科学与工艺 2004(04) 8.Yang Y Y;Zhao L H;Sun Z Z Experiment study on shape defect of cylinder shallow shell[外文期刊] 2006(26) 9.Gunnarsson L;Schedin E Improving the properties of exterior body panels in automobiles using variable blank holder force[外文期刊] 2001(2) 10.Stefan H;Per T Influence of material properties and stamping conditions on the stiffness and static dent re,stance of automotive panels[外文期刊] 2002(8) 11.Lan F;Chen J;Lin J A method of constructing smooth tool surfaces for FE prediction of springback in sheet metal forming[外文期刊] 2006(01) 12.Daniel D;Guiglionda G;Litalien P Overview of forming and formability issues for high volume aluminum car body panels[外文期刊] 2006 13.Stefan H;Bertil E;Thilderkvist P Evaluation of sheet metal formability by tensile tests[外文期刊] 2004(01) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dyjs200903032.aspx