八连杆机械压力机的动力学分析方法技术

本发明专利技术提供了一种八连杆机械压力机的动力学分析方法，包括以下步骤：简化传动机构模型；对传动机构各杆进行受力分析，获得各杆的受力情况；根据各杆的受力情况，利用虚功原理列出虚功方程；将运动学参数以及压力机吨位信息带入虚功方程并求解获得曲柄扭矩求解曲线；根据传动机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数。本发明专利技术采用虚功原理进行动力学分析求得曲柄扭矩，求解简单，计算效率提高。

Dynamic analysis method of eight-bar mechanical press

【技术实现步骤摘要】
八连杆机械压力机的动力学分析方法
本专利技术涉及机械传动领域，更具体的说，它涉及八连杆机械压力机的动力学分析方法。
技术介绍
机械压力机是一种典型的多品种、少批量的机械产品，一般以整机为单位进行设计，且机械压力机为订单式生产，每一台压力机都需要按照客户的订单要求重新设计。然而，有的订单只需要在成熟机型的基础上对设计参数进行微调就可以实现。在对设计参数进行求解的过程中，需要对机械压力机进行动力学分析。进行动力学分析的目的是为了求解动力学参数，动力学参数如驱动力，如求曲柄扭矩，用以确定电机所需功率，选择合适的电动机；求生产阻力，根据原动件上驱动力的大小，确定机械所能克服的生产阻力；求机构运动副中的支反力，该力的大小和性质是零件设计计算和强度校核的重要依据。传统的动力学分析的求解方法，有矩阵法以及模拟仿真法(如Adams)。矩阵法动力学分析的前提是运动学参数(构件位移、线速度或角速度、线加速度或角加速度)已经通过运动分析确定了，另外还需要知道每个构件的质量，质心位置，以及对质心的转动惯量；然后对每个构件逐个进行受力分析，利用达朗贝尔原理，考虑主动力，惯性力以及约束力(支反力)之间的平衡列方程，最后合并成矩阵进行求解。矩阵法需要知道各构件转动惯量，列矩阵求解，比较耗时，且出错不易查出错误的源头，因为方程较多，每个方程都需要仔细核对，需要耗费较大的工作量才能查出错误。模拟仿真法，如利用虚拟样机Adams进行仿真，需要从外部导入模型，然后简化模型，只保留运动构件，其他的紧固件类，支撑类等零件可以删掉，再进行添加运动副，驱动，最后仿真求解，该方法需要在外部软件中(如Solidworks，Pro/E)建立模型，然后导入Adams进行分析，但是导入的模型，Adams中不能参数化，如果需要分析杆系参数不一样的八连杆机构时，需要在外部软件中修改好后再导入Adams中分析，比较繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种八连杆机械压力机的动力学分析方法，求解简单，计算效率提高。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：八连杆机械压力机的动力学分析方法，包括以下步骤：(1)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(2)根据简化后的八连杆机构模型，对八连杆机构各杆进行受力分析，获得各杆的受力情况；(3)综合各杆的受力情况，利用虚功原理列出虚功方程；(4)将运动学参数以及压力机吨位信息带入虚功方程并求解获得曲柄扭矩求解曲线；(5)根据八连杆机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；(6)验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数；否则返回步骤(2)。作为优选的方案，步骤(1)中，采用Solidworks软件建立八连杆机构的三维模型。作为优选的方案，步骤(3)中，虚功方程的表达式如下：T*δθ+m1g*δy1+m2g*δy2+m34g*δy34+m5g*δy5+m67g*δy67+m8g*δy8+mFg*δs-P*δs＝0；式中，T为曲柄扭矩；l1为偏心体，l2为上拉杆，l3为上摇杆，l4为下摇杆，l5为下拉杆，l6和l7分别为三角架的两边杆长，l8为主拉杆；θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,θ7,θ8分别为对应各杆的角位移，单位为rad；θ34,θ67分别表示摇杆的角位移和三角架的角位移；分别为杆l2,l4,l5,l7,l8的角速度，分别为摇杆的角速度和三角架的角速度；δθ为曲柄转过的极小角，δs为曲柄转过的位移；m67为三角架质量；P为加载在滑块上的工作压力；ω＝2*π*n，n为曲柄转速。作为优选的方案，步骤(4)中，运动学参数包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度。作为优选的方案，步骤(4)中，获得运动学参数的方法包括以下步骤：(4.1)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(4.2)根据简化后的八连杆机构模型，利用矢量封闭法则建立八连杆机构模型的运动学方程组；(4.3)利用New-Raphson算法求解八连杆机构模型的运动学方程组，得到滑块行程求解曲线；对滑块行程曲线求一阶导数，获得滑块速度求解曲线；对滑块行程曲线求二阶导数，获得滑块加速度求解曲线；(4.4)根据八连杆机构三维模型仿真处理得到滑块行程仿真曲线、滑块速度仿真曲线和滑块加速度仿真曲线；(4.5)分别验证滑块行程、滑块速度和滑块加速度的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出滑块行程求解参数、滑块速度求解和滑块加速度求解参数；否则返回步骤(4.2)。作为优选的方案，步骤(4.2)中，八连杆机构模型的运动学方程组的表达式如下：其中：l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8分别为各杆长度，单位为m；a,b分别为铰链中心O与铰链中心O1在X轴和Y轴方向上的距离，单位为m；α,β分别是杆l3与l4，l6与l7的夹角，单位为rad；θ1,θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,θ7,θ8分别为对应各杆的角位移，单位为rad，且所有的角度以X轴正向为起点，逆时针旋转到各构件的角度；y为滑块的位移，单位为m。作为优选的方案，步骤(5)中，利用软件Adams对八连杆机构三维模型进行仿真处理。本专利技术的优点在于：对于只优化曲柄扭矩这一目标时，支反力是用来校核构件强度的，与优化曲柄扭矩这一目标无关，通过采用虚功原理则不考虑惯性力和约束力(支反力)，只考虑所有的主动力，不需要知道转动惯量，且只需列一个方程，求解简单，提高计算效率，并且出错易查；而且相比Adams，不需要修改造型才能仿真分析，而只需将杆系参数更换一组，即可得到曲柄扭矩。附图说明图1为八连杆机构的结构示意图。图2为八连杆机构运动分析简图。图3为滑块行程、速度、加速度曲线图。图4为Adams中仿真得到滑块行程、速度、加速度的仿真曲线图。图5为两种方法下曲柄扭矩T的求解曲线图。图6为滑块F受力图。图7为主拉杆l8受力图。图8为三角架受力图。图9为下拉杆l5受力图。图10为摇杆受力图。图11为上拉杆l2受力图。图12为偏心体的受力分析图。图13为系统受力分析图。图14为Adams仿真得到的曲柄扭矩T曲线图。图15为本专利技术动力学分析方法的流程图。图中标识：偏心体1，上拉杆2，上摇杆3，下摇杆4，下拉杆5，三角架6，主拉杆7，滑块8，铰链9，铰链10。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明。本专利技术提出一种基于NSGA-II算法的八连杆机械压力机多目标优化方法，针对某种类型的压力机，行程以及吨位一定，需要在现有某一款成熟的压力机基础上对设计变量(杆系参数)进行调整，以指定区域内滑块运行速度波动值最小、指定区域内最大曲柄扭矩值最小为优化目标，建立多目标优化数学模型。在实际操作时，将这款成熟的压力机的设计变量(杆系参数)作为中值，上下各浮动一定的比例，作为上、下限，同时调整约束条件，然后建立多目标优化数学模型，使用NSGA-II算法，找到若干组解(杆系参数)来使两个目标函数达到parato最优，得到parato最优解集，基本上所有的设计变量(杆系参数)均要在parato最优解集里微调。NSGA-II算法NSGA-Ⅱ是目前最流行的多目标遗传算法之一，它降低了非劣排序遗传算法的复杂性，具有运行速度快，解集的收敛性好的优点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.八连杆机械压力机的动力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(2)根据简化后的八连杆机构模型，对八连杆机构各杆进行受力分析，获得各杆的受力情况；(3)综合各杆的受力情况，利用虚功原理列出虚功方程；(4)将运动学参数以及压力机吨位信息带入虚功方程并求解获得曲柄扭矩求解曲线；(5)根据八连杆机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；(6)验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数；否则返回步骤(2)。

【技术特征摘要】
1.八连杆机械压力机的动力学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立八连杆机械压力机的八连杆机构三维模型，并获得简化后的八连杆机构模型；(2)根据简化后的八连杆机构模型，对八连杆机构各杆进行受力分析，获得各杆的受力情况；(3)综合各杆的受力情况，利用虚功原理列出虚功方程；(4)将运动学参数以及压力机吨位信息带入虚功方程并求解获得曲柄扭矩求解曲线；(5)根据八连杆机构三维模型仿真处理得到曲柄扭矩仿真曲线；(6)验证曲柄扭矩的求解曲线与仿真曲线是否一致，若一致，则分别输出曲柄扭矩求解参数；否则返回步骤(2)。2.如权利要求1所述的八连杆机械压力机的动力学分析方法，其特征在于，步骤(1)中，采用Solidworks软件建立八连杆机构的三维模型。3.如权利要求2所述的八连杆机械压力机的动力学分析方法，其特征在于，步骤(4)中，运动学参数包括滑块行程、滑块速度和滑块加速度。4.如权利要求3所述的八连杆机械压力机的动力学分析方法，其特征在于，步骤(4)中，获得运动学参数的方法包括以下步骤：(4.1)根据简化后的八连杆机构模型，利用矢量封闭法则建立八连杆机构模型的运动学方程组；(4.2)利用New-Raphson算法求解八连杆机构模型的运动学方程组，得到滑块行程求解曲线；对滑块行程曲线求一阶导...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨将新，陈安杰，曹衍龙，曹彦鹏，任立飞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33