1、軋輥磨床中心架的虛擬設(shè)計(jì)
隨著軋鋼行業(yè)的發(fā)展，軋輥的種類、規(guī)格越來越多。對(duì)于軋輥進(jìn)行精加工的軋輥磨床其規(guī)格、品種也相應(yīng)增多，（軋輥重量大，可達(dá)幾十噸。為提高加工質(zhì)量，一般在軋輥磨床上使用的中心架支撐工件。）中心架也就品種繁多。雖然結(jié)構(gòu)大同小異，但是設(shè)計(jì)的工作量很大。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，優(yōu)化設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)人員迫切希望解決的問題。
我們以SolidWorks為平臺(tái)，以參數(shù)化技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各種不同規(guī)格的中心架，建立統(tǒng)一的三維模型庫(kù)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程。在此基礎(chǔ)上再配合與SolidWorks軟件集成的COSMOSWorks有限元分析組件對(duì)中心架的一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高了中心架的承載能力，有望顯著提高軋輥的加工質(zhì)量。
基于參數(shù)化技術(shù)的造型系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是一種尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種尺寸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)尺寸只可能是少數(shù)幾種，所以需要對(duì)除驅(qū)動(dòng)尺寸之外的其他尺寸進(jìn)行關(guān)聯(lián)，簡(jiǎn)化。我們采用水平支承軸與水平方向的夾角、垂直支承軸與垂直方向的夾角這二個(gè)參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)尺寸進(jìn)行建模，而對(duì)其他一些尺寸，參照剛性最優(yōu)的原則進(jìn)行相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。
圖1 工作臺(tái)移動(dòng)式軋輥磨床用中心架
圖2 砂輪架移動(dòng)式軋輥磨床用中心架
2、基于知識(shí)重用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)
采用SolidWorks強(qiáng)大的配置功能，基于產(chǎn)品模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以采用一套模型實(shí)現(xiàn)多種不同規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。由于SolidWorks軟件中的系列零件設(shè)計(jì)表與配置呈相互映射的關(guān)系，所以通過修改系列零件設(shè)計(jì)表可以進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)品的規(guī)格，以適應(yīng)用戶的需要。從而建立集成于設(shè)計(jì)對(duì)象的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多類型、多層次知識(shí)表達(dá)模型，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的知識(shí)重用。
基于知識(shí)重用的設(shè)計(jì)體系，稱為設(shè)計(jì)重用。其原理是通過對(duì)不同層次知識(shí)的表達(dá)、組織以更有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)知識(shí)的重用。設(shè)計(jì)重用可有效縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)設(shè)計(jì)與制造。
3、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的建立
機(jī)械學(xué)研究有在原型上和在模型上進(jìn)行的兩個(gè)途徑。在原型上研究能充分反映實(shí)際情況，但由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制及各種因素的影響，難以完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。根據(jù)相似原理建立并以此收集系統(tǒng)信息的客體稱之為系統(tǒng)模型，按其性質(zhì)又可分為實(shí)物模型與抽象模型。實(shí)物模型就是物理模型，而抽象模型是以功能相似及數(shù)學(xué)形式相似的數(shù)學(xué)原理來描述，統(tǒng)稱為數(shù)學(xué)模型。采用計(jì)算機(jī)三維模型既可以作為原型的虛擬模型，也可以建立將物理模型和抽象模型相結(jié)合的虛擬模型。
系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的質(zhì)量直接影響到分析的結(jié)果。建立動(dòng)態(tài)分析模型的關(guān)鍵在于“合理簡(jiǎn)化”。首先要將原型簡(jiǎn)化，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、分析能力也對(duì)付不了復(fù)雜形狀零件、裝配體動(dòng)輒幾百、幾千萬節(jié)點(diǎn)、單元、自由度的分析。所以用原型來進(jìn)行有限元分析是不現(xiàn)實(shí)的，也沒有必要，需要簡(jiǎn)化模型。
但是，簡(jiǎn)化也是有限度的，所以需要“合理”的簡(jiǎn)化。何謂合理，傳統(tǒng)的方法比較多是采用相似性原理來簡(jiǎn)化，但是對(duì)于形狀相對(duì)復(fù)雜的零件，尤其是裝配體，建立哪怕是能夠“自圓其說”的簡(jiǎn)化模型也很困難。
模態(tài)分析為我們建立一個(gè)合理、合適的模型提供了較好的方法。用于模態(tài)分析的模型是采用SolidWorks實(shí)體三維模型修改而成，所謂修改就是去除一些孔、圓角等次要特征而形成的。至于簡(jiǎn)化后的模型是否和原型有相似的動(dòng)態(tài)特性，可以通過對(duì)原型和模型的模態(tài)分析比較來驗(yàn)證。由于模態(tài)分析，尤其是低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響較大，因此通過比較模型的低階模態(tài)和原型的低階模態(tài)，一般兩者相差不超過3％就應(yīng)該認(rèn)為簡(jiǎn)化是合理的。我們的三維實(shí)體模型的基振頻率是710.89Hz（圖3），而經(jīng)過簡(jiǎn)化的有限元分析模型的基振頻率是729.37Hz（圖4），兩者相差2.6%，因此可以認(rèn)為簡(jiǎn)化是成功的。
圖3 零件的基振頻率
圖4 簡(jiǎn)化模型的基振頻率
4、基于COSMOSWorks的優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要確定優(yōu)化目標(biāo)。一般零件的優(yōu)化目標(biāo)可以是重量最輕、零件受力以后的變形最小、扭曲最小等等。對(duì)于軋輥磨床的中心架，我們定的優(yōu)化目標(biāo)就是模型的剛性最優(yōu)。
從動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來說，剛性最優(yōu)單采用靜剛度來衡量是不夠的，還需要對(duì)模型采用動(dòng)剛度的分析。采用COSMOSWorks的頻率分析功能就能夠?qū)崿F(xiàn)模型的模態(tài)分析。通過模態(tài)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件機(jī)構(gòu)中容易發(fā)生變形的地方和變形的形式，便于采取相應(yīng)的措施。
由于磨床的主要激振源就是砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)，砂輪的轉(zhuǎn)速3000 r/min，相當(dāng)于50Hz。所以中心架的基振頻率離激振頻率越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)剛度越高。因此提高系統(tǒng)的基振頻率就可以作為優(yōu)化目標(biāo)之一。
采用與SolidWorks無縫集成的COSMOSWorks進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化我們采用以下方法：
⑴ 靜剛度最高
采用COSMOSWorks的靜應(yīng)力分析，比較各種配置（水平托頭與水平方向之間的夾角、垂直托頭與垂直方向的夾角為二個(gè)變量）的中心架模型的加載后的位移量。優(yōu)化目標(biāo)是位移量最小。
圖5所示，工件與水平托頭、垂直托頭接觸處的位移量不一樣，由于變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以中心架的水平、垂直托頭的位移量也不相同，從而加大工件的圓柱度誤差。相對(duì)比較，圖6結(jié)構(gòu)的中心架兩個(gè)托頭的變形差別不大，設(shè)計(jì)比較合理。
圖5 H1V25中心架加載變形圖
圖6 H15V25中心架加載變形圖
由于結(jié)構(gòu)關(guān)系，兩個(gè)托頭的變形的發(fā)展趨勢(shì)可能并不一樣。如圖7所示。H20V20（近水平托頭與水平方向的夾角為20°；近垂直托頭與垂直方向的夾角為20°；以下類推）的中心架加載時(shí)垂直托頭的位移量較?。欢鳫20V15的中心架加載時(shí)水平托頭的位移量較小。這兩個(gè)托頭的位移都會(huì)影響工件的加工質(zhì)量。這樣，最后選擇優(yōu)化結(jié)果時(shí)選H20V20還是H20V15，很難確定。
角度 垂直托頭變形量（mm） 水平托頭變形量(mm)
1 1.930e-02 1.775e-02
5 1.817e-02 1.636e-02
10 1.906e-02 1.525e-02
15 1.719e-02 1.337e-02
20 1.604e-02 1.805e-02
圖7 托頭與垂直方向夾角20°；與水平方向夾角變化時(shí)水平托頭、垂直托頭的變形量
⑵ 模態(tài)分析
每個(gè)構(gòu)件都有其特定的振動(dòng)頻率，稱為共振頻率。這種頻率由此構(gòu)件特有的振動(dòng)形式所決定。一旦受到共振頻率激勵(lì)，此構(gòu)件就以一定形式振動(dòng)，稱為模態(tài)振動(dòng)。
頻率分析可認(rèn)為是動(dòng)態(tài)分析中最簡(jiǎn)單的形式，我們通過研究在缺少阻尼和激振力情況下的自由振動(dòng)來分析構(gòu)件的動(dòng)態(tài)性能。
我們利用COSMOSWorks的頻率分析功能，研究了64式砂輪架移動(dòng)式中心架。經(jīng)過對(duì)各種配置的中心架模型的頻率分析，測(cè)出V5H5中心架模型的基振頻率為247.85Hz，而H18V25中心架的基振頻率是319.98Hz，顯然，H18V25型的也就是托頭與水平、垂直方向夾角較大的中心架模型其動(dòng)剛度比較高，工作較穩(wěn)定。同時(shí)，通過分析我們還了解到對(duì)于基振頻率，其激振形式是左右晃動(dòng)，由此可以通過在適當(dāng)處加筋板來提高剛度。
圖8 H18V25中心架模型
圖9 V5H5中心架模型
⑶ 自動(dòng)優(yōu)化
以上對(duì)于中心架的優(yōu)化實(shí)際上可以看成是通過枚舉方法，比較不同的配置來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的選擇。其結(jié)果是離散的，也就是，你即使知道某一角度的優(yōu)化值是在20°和30°之間，你也不知道到底是幾度，更重要的是由于是多變量的優(yōu)化，因此，當(dāng)其他角度改變了，原來的優(yōu)化值，可能不一定再是優(yōu)化值了。
COSMOSWorks為多變量?jī)?yōu)化提供了容易上手的處理。我們采用的是裝配體的優(yōu)化，先進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得到系統(tǒng)在指定載荷下的位移量，然后進(jìn)行裝配體的頻率分析，計(jì)算其基振頻率。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選位移量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，而以基振頻率增加作為約束。用水平托頭與水平方向之間的夾角、垂直托頭與垂直方向的夾角作為二個(gè)設(shè)計(jì)變量，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，由于整個(gè)模型采用參數(shù)化建模的，所以這二個(gè)角度的上限、下限的選擇就很重要。選擇不合適就可能導(dǎo)致模型重建失敗，優(yōu)化也就失敗了。此優(yōu)化研究經(jīng)過八次迭代，結(jié)果收斂，得到了滿意的結(jié)果，見圖8。最后得到的優(yōu)化結(jié)果是 H13.53V24.67（圖9），與采用多配置枚舉法獲得的相對(duì)最優(yōu)值H20V25的結(jié)果很接近，優(yōu)化成功。
圖10 中心架優(yōu)化的設(shè)計(jì)和過程
圖11 最終設(shè)計(jì)值
5、總結(jié)
通過對(duì)軋輥磨床中心架的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們嘗試了采用COSMOSWorks軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果是滿意的。對(duì)照采用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法對(duì)模型的優(yōu)化方法，無論建模、運(yùn)算都要方便、直觀。對(duì)照其他三維設(shè)計(jì)軟件的有限元分析模塊來優(yōu)化設(shè)計(jì)，CAD/CAE綜合性更強(qiáng)，是一個(gè)進(jìn)步。對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際是有實(shí)用價(jià)值的一款選擇。
據(jù)說對(duì)于即將推出的SolidWorks2008以及COSMOSWorks2008有更強(qiáng)大的分析功能，可以進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等高級(jí)動(dòng)力學(xué)研究。
我們期待它的發(fā)布，這樣，我們還可以利用分析庫(kù)功能，建立基于知識(shí)重用的磨床中心架分析庫(kù)，使普通設(shè)計(jì)人員可以直接采用分析庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)過程中，考慮磨床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，向?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)跨出一大步。
（轉(zhuǎn)載）
