一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，该方法基于线性迭代寻优的方法，针对弹性元件几何结构尺寸进行寻优化设计，使弹性元件的几何尺寸满足承载能力和高稳定化的工作特性，同时，针对弹性元件的结构进行组合式迭代寻优，通过弹性元件的差异化结构尺寸组合实现了更高的稳定性工作区间。本发明专利技术提出的一种面向高稳定性微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，基于对产品的有限元参数化建模分析，针对结构进行关键几何尺寸提取，进行可行域内的搜索达到对结构优化的目的，摆脱了对经验的依赖，节约了设计时间，取得了设计最佳值。

【技术实现步骤摘要】
一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法
本专利技术属于结构优化设计
，具体涉及一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法。
技术介绍
机械摆式加速度计是惯性导航系统的敏感器件，已被广泛应用于航天、航空、航海等领域，其性能直接决定了惯性导航和制导系统精度。微小锁紧机构是机械摆式加速度计的核心部件，其锁紧载荷可靠性直接影响着摆式加速度计的零偏长期稳定性，已成为制约惯性导航系统精度提升的关键技术瓶颈之一。机械摆式加速度计的微小锁紧机构主要由压紧结构、弹簧元件、上下极板和中心螺栓组成，通过施加连接载荷将加速度计中具有一定物理参数转换特性的零组件组装到一起，并保证摆组件的装配位置和力学状态。由于弹簧元件结构刚度较弱，承载了微小锁紧机构系统的绝大部分变形，因此，弹簧元件的机械物理特性直接决定着锁紧机构连接载荷的水平和稳定性，从而影响加速度计摆组件的安装状态和零偏误差。由此可见，如何合理设计弹簧元件结构形式，使其机械物理特性满足连接载荷的长期稳定性是提升机械摆式加速度计服役性能的关键所在。目前，微小锁紧机构弹簧元件的设计往往依赖经验手册，通过大量试验试错获得满足要求的结构，设计效率低；本专利技术提出利用有限元技术，建立弹性元件参数化模型，结合几何尺寸优化与结构组成优化，解脱了人力，节省了设计时间，并可得到设计最佳值，实现了微小锁紧机构载荷的高稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，来实现恒力锁紧的目的；针对系统中含有的大变形量零件，找到影响刚度的核心尺寸因素，进行迭代寻优，通过弹性元件的差异化结构尺寸组合实现了更高的稳定性工作区间。本专利技术采用如下技术方案来实现的：一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，该方法基于线性迭代寻优的方法，针对弹性元件几何结构尺寸进行寻优化设计，使弹性元件的几何尺寸满足承载能力和高稳定化的工作特性，同时，针对弹性元件的结构进行组合式迭代寻优，通过弹性元件的差异化结构尺寸组合实现了更高的稳定性工作区间。本专利技术进一步的改进在于，具体包括以下步骤：1)针对含弹性元件的装配系统进行有限元建模分析，得到系统刚度特性；2)在步骤1)的基础上，判断装配系统简化方案，根据一般情况下，装配系统的变形相对较小，因此将装配系统的刚度分析简化为弹性元件变形的分析；3)针对步骤2)简化方案后的弹性元件参数化建模，分析其各个几何尺寸对加载过程的变形影响程度；4)在步骤3)的分析过程中，在弹性元件几何尺寸的可行域内，进行线性搜索寻优；并在对单个弹性元件寻优后，对组合结构对比，选择承载能力和稳定性最优的结果。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，对于包含弹性元件的装配系统，进行刚度分析，分析弹性元件在装配系统变形过程中，弹性元件发挥的作用。本专利技术进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法如下：步骤1：建立关于单个弹性元件相互独立的几何尺寸，同时，给出目标轴向力F0和刚度稳定值K0：X＝(x1，x2，x3，x4，...，xn)T其中，X-由独立的结合尺寸建立的向量变量；模型的力值提取通过ANSYS软件提取F＝F(X，S)，刚度计算模型约束条件：|Fi-F0|≤ε1，|Ki-K0|≤ε2；其中，S-针对零件的位移加载变化；F(X，S)-力值函数由几何尺寸和位移加载决定；Fi-是区间内某点取到的轴向力数值；F1，F2-是区间内取到的区间端点处轴向力值；S1，S2-是取F1，F2时对应的位移数值；Ki-指计算区间内的刚度值；K0-指目标要求数值；ε1-能够接受的力值变化范围；ε2-能够接受的刚度变化范围；定义尺寸因素位置的数组：定义数组a＝{a1，a2，a3，a4}＝{1，2，3，4}；用于表示尺寸因素存放的地址步骤2：建立有限元模型，进行加载过程，在加载过程中，分为以下三部分：第一部分，是针对某一特定几何尺寸，进行全行程的加载，即将单个弹性元件压平，获取在此几何尺寸下的F-S曲线，留作对比；F＝F(X，S)其中，S＝0.01*I，I≤[H0]；H0-表示将单个弹性元件压平的距离100倍；[H0]-取整函数；第二部分，是在每次进行全行程加载完成后，针对第一步中的几何尺寸进行线性迭代，在进行全行程的加载；其中，A＝0，1，2...10，α＝常数；-表示的是对应ai位置存放的尺寸；第三部分，在完成本尺寸在一定梯度内的迭代之后，移动数组位置，进行下一个xi的迭代计算：1≤j，m，n≤4，ai≠aj≠am≠an表示在相互独立的几何尺寸集合中，相互独立的四个几何尺寸，ai-表示的是对应几何尺寸的存放位置；步骤3：针对不同尺寸组合下得到的F-S曲线，根据约束条件：|Fi-F0|≤ε1，|Ki-K0|≤ε2，选择合适的尺寸方案；步骤4：如果在约束条件下，并未找到合适的尺寸，则进入组合式结构设计，采用不同尺寸组合下的安装方式；步骤5：不同组合结构迭代，则按照步骤1重新进行结构尺寸的迭代寻优，直到找到合适的尺寸方案，满足：|Fi-F0|≤ε1，|Ki-K0|≤ε2。本专利技术具有如下有益的技术效果：1)本专利技术针对相同结构下承载能力和刚度不足的问题，提出了一种新的迭代优化方案，即，在不改变零件的结构条件下，通过组合方式的改变实现刚度互补。2)本专利技术可以实现在有限的装配空间下恒力锁紧，提高了设备性能的稳定性。3)本专利技术通过多次的嵌套循环，找到了边界条件下最优组合尺寸方案，效率提升。4)第一，是独立的几何尺寸线性迭代，在一定的尺寸范围内迭代寻优。第二，终止条件是：|Fi-F0|≤ε1，|Ki-K0|≤ε2，满足条件即为优化的尺寸组合方案。5)第一，不拘泥于一个零件的几何尺寸。在给定的范围内没有寻优结果时，本设计方案可以适用选择相同结构不同具体尺寸的零件组合；第二，组合零件的尺寸确定，仍然适用本设计方案确定。综上所述，本专利技术提出的一种面向高稳定性微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，基于对产品的有限元参数化建模分析，针对结构进行关键几何尺寸提取，进行可行域内的搜索达到对结构优化的目的，摆脱了对经验的依赖，节约了设计时间，取得了设计最佳值。以碟簧为例，针对碟簧零件独特的变刚度特点，进行尺寸因素的迭代优化，找到最优的尺寸组合；在面对不满足要求的尺寸时，创造性进行刚度组合优化，对碟簧进行非相同尺寸下的刚度互补，实现了可以在较大的变形范围内的承载稳定，完全达到了刚度和承载能力要求。附图说明图1是单个碟簧厚度变化对受力和变形数据曲线(部分数据)。图2是碟簧小径尺寸变化对受力和变形数据曲线(部分数据)。图3是单个碟簧极限位移变化对受力和变形数据曲线(部分数据)。图4是单个碟簧球面半径变化对受力和变形数据曲线(部分数据)。图5是新组合结构与原有单个碟簧对受力和变形数据曲线。图6是零件尺寸示意图。图7是图6的剖视图。图8是结构设计核心组合方式示意图。图9是图8的剖视图。图10是原结构的示意图，中间不是螺栓，是轴加工的螺纹面。图11是图10的剖视图。图12是新结构的示意图，中间不是螺栓，是轴加工的螺纹面。图13是图12的剖视图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做出进一步的说明。本专利技术提供的一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，基于某装配系统中的弹性元件-球面碟簧装配安装本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，其特征在于，该方法基于线性迭代寻优的方法，针对弹性元件几何结构尺寸进行寻优化设计，使弹性元件的几何尺寸满足承载能力和高稳定化的工作特性，同时，针对弹性元件的结构进行组合式迭代寻优，通过弹性元件的差异化结构尺寸组合实现了更高的稳定性工作区间。

【技术特征摘要】
1.一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，其特征在于，该方法基于线性迭代寻优的方法，针对弹性元件几何结构尺寸进行寻优化设计，使弹性元件的几何尺寸满足承载能力和高稳定化的工作特性，同时，针对弹性元件的结构进行组合式迭代寻优，通过弹性元件的差异化结构尺寸组合实现了更高的稳定性工作区间。2.根据权利要求1所述的一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：1)针对含弹性元件的装配系统进行有限元建模分析，得到系统刚度特性；2)在步骤1)的基础上，判断装配系统简化方案，根据一般情况下，装配系统的变形相对较小，因此将装配系统的刚度分析简化为弹性元件变形的分析；3)针对步骤2)简化方案后的弹性元件参数化建模，分析其各个几何尺寸对加载过程的变形影响程度；4)在步骤3)的分析过程中，在弹性元件几何尺寸的可行域内，进行线性搜索寻优；并在对单个弹性元件寻优后，对组合结构对比，选择承载能力和稳定性最优的结果。3.根据权利要求2所述的一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，其特征在于，步骤1)中，对于包含弹性元件的装配系统，进行刚度分析，分析弹性元件在装配系统变形过程中，弹性元件发挥的作用。4.根据权利要求2所述的一种面向高稳定性的微小锁紧机构弹性元件优化设计方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法如下：步骤1：建立关于单个弹性元件相互独立的几何尺寸，同时，给出目标轴向力F0和刚度稳定值K0：X＝(x1,x2,x3,x4,…,xn)T其中，X-由独立的结合尺寸建立的向量变量；模型的力值提取通过ANSYS软件提取F＝F(X,S)，刚度计算模型约束条件：|Fi-F0|≤ε1，|Ki-K0|≤ε2；其中，S-针对...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱林波，张培源，孙斌，洪军，邱志惠，张早校，
申请(专利权)人：西安交通大学，中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61