專利名稱：激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是涉及一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在一定動(dòng)態(tài)力的作用下，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能越好，其抗振能力越好，產(chǎn)生的振幅越小，加工精度越高。在高速激光切割機(jī)中，橫梁承擔(dān)切割裝置的重量，且僅由兩端支撐。切割裝置完全位于橫梁懸空區(qū)間內(nèi)。如果橫梁動(dòng)態(tài)性能較差，橫梁或切割裝置在做加減、速運(yùn)動(dòng)時(shí)，切割頭容易產(chǎn)生較大的位移偏差。若橫梁的固有頻率與振源頻率接近，甚至可能出現(xiàn)共振的情況。在高速激光切割機(jī)中，橫梁所受外力的激勵(lì)形式以自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)為主。對(duì)于自由振動(dòng)，結(jié)構(gòu)的固有頻率越高，阻尼越大，則出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)最大振幅越小，振動(dòng)衰減越快，動(dòng)態(tài)性能越好。對(duì)于受迫振動(dòng)，激勵(lì)頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率越接近，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能越小。因此，在橫梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在避開(kāi)激勵(lì)頻率前提下，盡量提高自身的固有頻率。由于固有頻率是由結(jié)構(gòu)本身的材料屬性和質(zhì)量分布決定的，故一般通過(guò)改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)提高固有頻率，以達(dá)到提聞其動(dòng)態(tài)性能的目的。傳統(tǒng)的橫梁設(shè)計(jì)方法主要依賴設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)完成，通常需要反復(fù)的試制及比對(duì)實(shí)際效果進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)。隨著有限元方法逐漸應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)中，橫梁結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)可以用有限元方法進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，橫梁的反復(fù)試制和改進(jìn)工作逐漸地替換為有限元模型的反復(fù)計(jì)算和設(shè)計(jì)模型改進(jìn)工作。但是，橫梁的參數(shù)仍需要設(shè)計(jì)人員多次測(cè)試改并對(duì)模型進(jìn)行修改和試算，且橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。因此，傳統(tǒng)的橫梁設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，從而使得橫梁設(shè)計(jì)效率低。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種可有效提高橫梁設(shè)計(jì)效率的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法。一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:將橫梁簡(jiǎn)化為多個(gè)結(jié)構(gòu)元素，所述結(jié)構(gòu)元素包括多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)元素建立所述橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型；根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型；依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量；利用有限元分析軟件對(duì)所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)元素包括外框及回型筋，所述回型筋收容于所述外框內(nèi)并與所述外框的內(nèi)壁抵接，以支撐所述外框。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括、外框長(zhǎng)度、外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)。
在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型的步驟為:設(shè)置進(jìn)行模態(tài)分析的前處理?xiàng)l件參數(shù)，所述前處理?xiàng)l件參數(shù)包括材料屬性、網(wǎng)格劃分及固定邊界條件的參數(shù)；根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值進(jìn)行初次模態(tài)計(jì)算，并設(shè)置所述橫梁的固有頻率參數(shù)，所述固有頻率參數(shù)包括第一階頻率、第二階頻率及第三階頻率。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量的步驟為:根據(jù)對(duì)所述橫梁的實(shí)際需求設(shè)置所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍；依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律；根據(jù)上述變化規(guī)律，選取對(duì)所述固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律的步驟為:依次僅改變所述橫梁的外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)，并根據(jù)所述固有頻率參數(shù)的變化得到所述變化規(guī)律，其中，所述外框?qū)挾取⑼饪蚋叨?、外框壁厚、回型筋高度?duì)所述固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，回型筋的厚度及回型筋個(gè)數(shù)對(duì)所述固有頻率參數(shù)的影響未超過(guò)預(yù)設(shè)范圍。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述利用有限元分析軟件對(duì)所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解的步驟為:將所述橫梁的質(zhì)量設(shè)定為狀態(tài)變量，并設(shè)置所述設(shè)計(jì)變量、所述狀態(tài)變量的約束范圍及目標(biāo)函數(shù)；進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解的步驟為:根據(jù)所述固有頻率參數(shù)隨所述外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度變化的變化?guī)律以及所述外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度與所述橫梁的質(zhì)量的關(guān)系，確定最優(yōu)的外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚及回型筋高度的值。上述激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，將橫梁進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型。進(jìn)一步的，依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量。利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。因此，當(dāng)確定橫梁的設(shè)計(jì)變量后，便可利用有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解，而不必設(shè)計(jì)人員反復(fù)對(duì)模型進(jìn)行修改和試算，從而提高了橫梁設(shè)計(jì)效率。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例中激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法的流程圖；圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例中橫梁的的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型；圖3為根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型的流程圖；圖4為依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量的流程圖；圖5為回形筋個(gè)數(shù)對(duì)前三階頻率的影響規(guī)律曲線的示意圖；圖6為回形筋高度對(duì)前三階頻率的影響規(guī)律曲線的示意圖；圖7為利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解的流程圖；圖8為優(yōu)化前后所述橫梁的固有頻率參數(shù)及質(zhì)量的對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容的理解更加透徹全面。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明較佳實(shí)施例中的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:步驟SI 10，將橫梁簡(jiǎn)化為多個(gè)結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素包括多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)元素建立橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型。具體的，本發(fā)明中的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法是基于有限元的模擬軟件(如ANSYS)實(shí)現(xiàn)的。將實(shí)際的橫梁劃分為多個(gè)結(jié)構(gòu)元素，將結(jié)構(gòu)元素作為構(gòu)成橫梁的最基本元素。每個(gè)結(jié)構(gòu)元素包括多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)用于表述結(jié)構(gòu)元素的各個(gè)屬性。進(jìn)一步的，對(duì)其中的結(jié)構(gòu)參數(shù)賦初始值，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型，該結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型中的橫梁由結(jié)構(gòu)元素構(gòu)成。請(qǐng)參閱圖2，在本實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)元素包括外框及回型筋?；匦徒钍杖萦谕饪騼?nèi)并與外框的內(nèi)壁抵接，以支撐外框。進(jìn)一步的，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括外框長(zhǎng)度、外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)。需要指出的是，將橫梁簡(jiǎn)化為由外框及回型筋構(gòu)成的結(jié)構(gòu)只是本發(fā)明較佳實(shí)施例中的一種。在其他實(shí)施例中，還可根據(jù)需要，還可將橫梁簡(jiǎn)化成由其他結(jié)構(gòu)元素構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。步驟S120，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型。具體的，以橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型為基礎(chǔ)建立有限元模型，有限元模型為基于幾何模型的數(shù)值分析模型。根據(jù)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到影響橫梁頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)。請(qǐng)參閱圖3,在本實(shí)施例中，上述步驟S120具體包括以下步驟:步驟S121，進(jìn)行有限元模型前處理設(shè)置，設(shè)置進(jìn)行模態(tài)分析的前處理?xiàng)l件參數(shù)。具體的，前處理?xiàng)l件參數(shù)包括材料屬性、網(wǎng)格劃分及固定邊界條件的參數(shù)。材料屬性包括橫梁材料的彈性模量、密度、泊松比。固定邊界條件根據(jù)橫梁實(shí)際的安裝位置而定。步驟S123，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值進(jìn)行初次模態(tài)計(jì)算，并設(shè)置橫梁的固有頻率參數(shù)。
具體的，固有頻率參數(shù)包括第一階頻率、第二階頻率及第三階頻率。在有限元模擬軟件中，根據(jù)橫梁結(jié)構(gòu)的材料屬性、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、邊界條件等可以模擬得到橫梁的模態(tài)(包括各階固有頻率和振型)。固有頻率體現(xiàn)橫梁的動(dòng)態(tài)性能。步驟S130，依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量。理論上，在結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型中，所有的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能均產(chǎn)生影響，但影響的程度有差別。對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響大的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)橫梁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而影響小的結(jié)構(gòu)參數(shù)則可在符合實(shí)際需求的范圍內(nèi)適當(dāng)選取。因此，為簡(jiǎn)化后續(xù)的優(yōu)化過(guò)程，在對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化之前，需先篩選出對(duì)橫梁的動(dòng)態(tài)性能的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。請(qǐng)參閱圖4,在本實(shí)施例中，上述步驟S130具體包括以下步驟:步驟S131，根據(jù)對(duì)橫梁的實(shí)際需求設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍。具體的，設(shè)計(jì)范圍即結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化范圍，設(shè)計(jì)范圍應(yīng)符合實(shí)際并滿足機(jī)床設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)只在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化。因此，可剔除不符合實(shí)際需求的模擬結(jié)果，從而提高效率。步驟S133，依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率參數(shù)隨變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律。具體在本實(shí)施例中，可作為變量的結(jié)構(gòu)參數(shù)為外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)。而由于外框長(zhǎng)度由橫梁的應(yīng)用場(chǎng)景決定，因此不作為變量進(jìn)行模態(tài)分析。在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，選取一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)作為變量，而其他結(jié)構(gòu)參數(shù)則被設(shè)定為初始值。利用有限元模擬軟件的隨機(jī)搜索方法進(jìn)行模態(tài)分析。進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、指定隨機(jī)搜索方法、定義最大迭代次數(shù)和最大合理的設(shè)計(jì)數(shù)。程序完成指定次數(shù)的有限元分析循環(huán)，并在每次循環(huán)中使用隨機(jī)搜索變量值，循環(huán)結(jié)束后以圖表的形式輸出結(jié)果。依次選取外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)中的任一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量，便可得到各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固有頻率參數(shù)的影響規(guī)律曲線。步驟S135，根據(jù)變化規(guī)律，選取對(duì)固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。具體的，根據(jù)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)固有頻率參數(shù)的影響規(guī)律曲線，將對(duì)固有頻率參數(shù)影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)選作設(shè)計(jì)變量。具體在本實(shí)施例中，外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度?duì)所述固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，回型筋的厚度及回型筋個(gè)數(shù)對(duì)所述固有頻率參數(shù)的影響未超過(guò)預(yù)設(shè)范圍。下面以回型筋個(gè)數(shù)及回型筋高度作為變量進(jìn)行具體說(shuō)明:優(yōu)化程序在回形筋個(gè)數(shù)的變化范圍(即回型筋個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)范圍)內(nèi)進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到回形筋個(gè)數(shù)對(duì)前三階頻率的影響規(guī)律曲線。如圖5所示，當(dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，回形筋個(gè)數(shù)變化時(shí)，前三階頻率均呈逐漸上升的趨勢(shì)，但各曲線的變化趨勢(shì)較緩，回形筋個(gè)數(shù)對(duì)前三階固有頻率的影響較小。因此，回型筋的個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要取一個(gè)適中的值即可，不選為設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化程序在回形筋高度的變化范圍(即回型筋高度的設(shè)計(jì)范圍)內(nèi)進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到回形筋高度對(duì)前三階頻率的影響規(guī)律曲線。如圖6所示，當(dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，回形筋高度變化時(shí)，前三階頻率均呈逐漸上升的趨勢(shì)，其中第一階頻率影響曲線趨勢(shì)平緩，影響較?。欢诙l率、第三階頻率影響曲線上升趨勢(shì)明顯。因此，將回型筋高度選取為設(shè)計(jì)變量。步驟S140，利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。具體在本實(shí)施例中，通過(guò)模態(tài)分析后，所選取的設(shè)計(jì)變量為外框?qū)挾取⑼饪蚋叨?、外框厚度及回形筋高度。因此，上述結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)橫梁的固有頻率參數(shù)(即橫梁的動(dòng)態(tài)性能)有較大影響。通過(guò)對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，便可設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)性能較好的橫梁。請(qǐng)參閱圖7,在本實(shí)施例中，上述步驟S140具體包括以下步驟:步驟S141將橫梁的質(zhì)量設(shè)定為狀態(tài)變量，并設(shè)置設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量的約束范圍及目標(biāo)函數(shù)。具體的，橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的就是橫梁的動(dòng)態(tài)性能較好，同時(shí)質(zhì)量較輕。狀態(tài)變量(橫梁的質(zhì)量)隨著設(shè)計(jì)變量的變化而變化。狀態(tài)變量的約束范圍即用于約束橫梁的質(zhì)量，從而在優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)，將橫梁的質(zhì)量限定在較小范圍內(nèi)。固有頻率參數(shù)隨外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度的增加而升高，橫梁的動(dòng)態(tài)性能提升。而橫梁的質(zhì)量則隨外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度與所述橫梁的增加而增大。因此，需要在控制橫梁質(zhì)量的同時(shí)使橫梁的動(dòng)態(tài)性能盡可能提高。在本實(shí)施例中，目標(biāo)函數(shù)為二階頻率的倒數(shù)，優(yōu)化的目的即找到使二階頻率的倒數(shù)為最小值的結(jié)構(gòu)參數(shù)。需要指出的是，在其他實(shí)施例中，還可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選取其他函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)。步驟S143，進(jìn)行有限元分析循環(huán)后，得到設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解。具體的，進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊、指定零階優(yōu)化方法、定義最大迭代次數(shù)。程序進(jìn)行指定次數(shù)的有限元分析循環(huán)，程序終止時(shí)得到若干個(gè)優(yōu)化參數(shù)組合。進(jìn)一步的，在優(yōu)化的參數(shù)組合中，選取設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量分別在設(shè)計(jì)范圍和約束范圍內(nèi)，且前三階固有頻率較高，質(zhì)量較輕的一組結(jié)構(gòu)參數(shù)作為橫梁設(shè)計(jì)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。請(qǐng)參閱圖8，優(yōu)化后橫梁的質(zhì)量(Mass)從108.8Kg減少至98.2Kg，減少了 9.7% ;第一階頻率(fl，振型均為上下彎曲)從125.4Hz增加至130.42Hz，提高了 4.0% ;第二階頻率(f2，振型均為前后彎曲)從168.0lHz增加至171.79Hz，提高了 2.2% ;第三階頻率(f3，振型均為中部扭轉(zhuǎn))從346.09Hz增加至359.40Hz，提高了 3.8% ;前三階頻率均有一定提高，同時(shí)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得到減輕?？梢?jiàn)，通過(guò)本發(fā)明對(duì)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，可以提高結(jié)構(gòu)固有頻率、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，達(dá)到提高橫梁的動(dòng)態(tài)性能的目的。在整個(gè)橫梁的改進(jìn)過(guò)程中，避免了傳統(tǒng)改進(jìn)方法中的不足:參數(shù)化建模和優(yōu)化分析省去了大量的人工修改模型過(guò)程，多參數(shù)優(yōu)化方法綜合考慮了各結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互影響，更容易得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)值，結(jié)構(gòu)改進(jìn)效率高。上述激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，將橫梁進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型。進(jìn)一步的，依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量。利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。因此，當(dāng)確定橫梁的設(shè)計(jì)變量后，便可利用有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解，不必設(shè)計(jì)人員反復(fù)對(duì)模型進(jìn)行修改和試算，從而提高了橫梁設(shè)計(jì)效率。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 將橫梁簡(jiǎn)化為多個(gè)結(jié)構(gòu)元素，所述結(jié)構(gòu)元素包括多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)元素建立所述橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型； 根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型； 依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量； 利用有限元分析軟件對(duì)所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)元素包括外框及回型筋，所述回型筋收容于所述外框內(nèi)并與所述外框的內(nèi)壁抵接，以支撐所述外框。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括外框長(zhǎng)度、外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型的步驟為: 設(shè)置進(jìn)行模態(tài)分析的前處理?xiàng)l件參數(shù)，所述前處理?xiàng)l件參數(shù)包括材料屬性、網(wǎng)格劃分及固定邊界條件的參數(shù)； 根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值進(jìn)行初次模態(tài)計(jì)算，并設(shè)置所述橫梁的固有頻率參數(shù)，所述固有頻率參數(shù)包括第一階頻率、第二階頻率及第三階頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光`切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量的步驟為: 根據(jù)對(duì)所述橫梁的實(shí)際需求設(shè)置所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍； 依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律； 根據(jù)上述變化規(guī)律，選取對(duì)所述固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述依次將所述多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律的步驟為: 依次僅改變所述橫梁的外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋個(gè)數(shù)，并根據(jù)所述固有頻率參數(shù)的變化得到所述變化規(guī)律，其中，所述外框?qū)挾取⑾Σ房蚋叨?、外框壁厚、回型筋高度?duì)所述固有頻率參數(shù)的影響超過(guò)預(yù)設(shè)范圍，回型筋的厚度及回型筋個(gè)數(shù)對(duì)所述固有頻率參數(shù)的影響未超過(guò)預(yù)設(shè)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述利用有限元分析軟件對(duì)所述設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解的步驟為: 將所述橫梁的質(zhì)量設(shè)定為狀態(tài)變量，并設(shè)置所述設(shè)計(jì)變量、所述狀態(tài)變量的約束范圍及目標(biāo)函數(shù)； 進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)解的步驟為: 根據(jù)所述固有頻率參數(shù)隨所述外框?qū)挾取⑼饪蚋叨?、外框壁厚、回型筋高度變化的變化?guī)律以及所述外框?qū)挾?、外框高度、外框壁厚、回型筋高度與所述橫梁的質(zhì)量的關(guān)系，確定最優(yōu)的外框?qū)挾取?外框高度、外框壁厚及回型筋高度的值。
全文摘要
一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計(jì)方法，將橫梁進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型。進(jìn)一步的，依次將多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計(jì)變量。利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。因此，當(dāng)確定橫梁的設(shè)計(jì)變量后，便可利用有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊得到結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解，而不必設(shè)計(jì)人員反復(fù)對(duì)模型進(jìn)行修改和試算，從而提高了橫梁設(shè)計(jì)效率。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103106307SQ201310043299
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月2日
發(fā)明者萬(wàn)虹, 肖俊君, 范國(guó)成, 陳根余, 陳燚, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司