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考虑运动学和动力学性能的压力机八连杆机构几何尺寸优化与仿真

潘琦琛  
【摘要】:八连杆机构是压力机普遍采用的主传动机构,其几何尺寸参数影响着压力机的运动学与动力学性能。运动学性能不足的压力机在冲压过程中会造成金属板料拉裂、成形不充分以及起皱等问题。同时,压力机动力学性能较差会导致其传动效率低、故障率高以及使用寿命减短。因此,八连杆机构的设计过程中对其尺寸优化是十分有必要的。传统的优化设计方法效率低,优化目标不全面,通常在牺牲其它方面的性能的基础上进行优化。本文针对以上问题研究了考虑运动学与动力学性能的八连杆机构几何尺寸优化,基于矢量解析法对压力机八连杆机构进行运动学与动力学参数化设计,采用罚函数遗传算法对压力机八连杆机构的几何尺寸进行了优化,并引入了刚柔耦合仿真技术对压力机八连杆机构静动态性能进行了全面的评估,开发了压力机八连杆机构几何尺寸优化与仿真系统,实现了压力机八连杆机构的高效率、高可靠性的优化设计。主要研究内容包括:(1)提出基于矢量解析法的压力机八连杆机构运动学与动力学参数化模型构建方法。基于八连杆机构的拓扑特性构建了八连杆机构运动学方程,在对八连杆机构进行动力学分析的基础上,提出了八连杆机构的转动惯量与质心位置计算方法,根据上述的分析与建立的方程参数化设计压力机八连杆机构,并对压力机八连杆机构模型进行了仿真实验,对比理论计算与仿真分析的结果,验证了压力机八连杆机构参数化模型的正确性。(2)提出基于罚函数遗传算法的压力机八连杆机构几何尺寸多目标优化方法。深入研究了压力机八连杆机构的运动学与动力学特性,提取约束条件并构建目标函数,基于带精英策略的非支配遗传算法并结合罚函数法对压力机八连杆机构的几何尺寸进行了优化,并结合改进的多目标优化算法对机构进行了优化实验,实现了对压力机八连杆机构的多目标优化设计。(3)提出基于刚柔耦合的压力机八连杆机构性能仿真方法。利用有限元法建立压力机八连杆机构有限元模型,分析机构在工作阶段所受到应力及变形,校核机构的刚度与强度。采用模态叠加法提取压力机八连杆机构的六阶固有频率,对各阶振型云图进行分析。提出基于柔性体动力学建立压力机八连杆机构刚柔耦合模型进行运动学与动力学仿真分析的方法,并通过对比实验论证了刚柔耦合模型的必要性。(4)开发了压力机八连杆机构几何尺寸优化与仿真系统。设计了交互良好、使用便捷的图形界面,实现了压力机八连杆机构的几何尺寸优化、运动性能仿真以及压力机生产线冲压仿真等功能,利用实例应用验证了优化与仿真系统的可靠性。


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