一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，能基于UG和Workbench平台，以UG中建立的参数化曲轴几何模型为对象，联合Workbench中的DM模块、Static Structural分析模块、Response Surface Optimization模块，搭建整个优化环境。首先，建立参数化曲轴几何模型，并搭建好仿真优化环境。其次，确定不同工况下的曲轴载荷条件，结合静强度分析确定曲轴运转过程中的最危险工况，以此作为优化的基本环境工况。最后，选取设计变量、确定优化目标、得到约束条件，安排试验设计方案，以Kriging法构建各目标关于各变量的响应面，以遗传算法寻找Pareto前沿，确定最优值，并代回计算模型进行验证。与以往的优化方法相比，该方法不仅可以找到最优的曲轴结构尺寸，而且操作也更加简单快捷。快捷。快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法


[0001]本专利技术涉及结构设计与优化领域，尤其涉及一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法。

技术介绍

[0002]曲轴是传动端中最重要的受力零件之一，主要用于把原动机的旋转运动转化为活塞的往复运动，把原动机传来的机械能传递给活塞，其在工作期间的平稳运行，对于传动端的动力运输至关重要。
[0003]传统的曲轴结构设计通常采用理论经验公式来估算出大概的结构尺寸，然后校核其强度和刚度是否满足需要，设计工作繁琐并且不够精确，校核结果与实际工作中存在偏差。特别是，在设计过程中，为了保证设计结构的强度，往往会给结构尺寸更大的安全系数，这将导致曲轴结构呈现“傻大黑粗”的样式。虽然这种做法可以满足曲轴的寿命要求，但同时也给结构尺寸带来很大的富余量，不仅给制造厂商增加材料成本，造成环境资源浪费，也给产品使用方带来更大的能源消耗。
[0004]通常传统的曲轴尺寸优化方法有两种。一是通过有限元仿真确定危险位置，然后根据设计经验对危险位置处的尺寸进行缩减，以到达优化目的。二是通过控制变量法的方法，使用三维建模软件构建多个不同的几何模型，对所有不同的几何模型依次通过仿真软件进行强度分析，探索不同变量对于强度的影响灵敏性，从而确定更合理的尺寸参数。方法一中的优化过程完全是设计人员根据经验进行的试探性优化，并不能找到最优结果。而方法二的操作过程较为繁琐，存在大量的重复操作过程，不仅会浪费大量的时间成本，甚至在优化过程中出现错误也很难发现。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的是提供一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，其不仅可以清晰地表示出设计变量与优化目标之间的数学函数关系，便于寻找确定最优设计方案。而且简化了曲轴优化的繁琐过程，实现曲轴优化过程中不同几何模型的自动生成与批量化计算。
[0006]技术方案：本专利技术的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法包括如下步骤：S1：在UG中建立曲轴的参数化几何模型，搭建UG和Workbench数据互通的仿真环境；S2：计算不同工况下的曲轴载荷条件，确定曲轴运转过程中的最危险工况；S3：确定曲轴尺寸优化的设计变量、约束条件及优化目标；S4：安排试验设计方案，构建各变量与各目标的响应面，寻找最优值；进一步地，步骤S1中，建立参数化几何模型时，应通过参数变量来控制几何模型的尺寸变化，同时变量名须增加前缀“DS_”，以便Workbench能够识别UG中赋予的变量，实现两者间的数据互通。
[0007]进一步地，配置好Workbench与UG的接口，通过UG选项卡中进入Workbench界面即可实现两者间的数据互通。
[0008]进一步地，步骤S2包括：综合考虑计算时间和计算精度，确定以静强度应力分析方法作为曲轴强度、刚度计算的基本方法，并将曲轴每旋转5
°
的曲轴受力情况确定为一个工况，共计72个工况。通过分析曲柄连杆结构受力情况得到曲轴所受连杆力的具体公式，根据公式计算，得到曲轴上不同曲拐在72个工况下所受的连杆力的具体数值。
[0009]进一步地，其他载荷条件如：摩擦力、旋转惯性力等在Workbench中设置相应条件进行加载。
[0010]进一步地，步骤S2还包括：定义曲轴的材料属性参数，添加Static Structural分析模块，对导入的几何模型进行网格划分、接触设置、添加边界条件和载荷条件等处理，利用多载荷步的形式批量求解不同工况下的曲轴应力、变形分布情况，确定曲轴的最危险工况。
[0011]进一步地，步骤S3中，以曲轴几何尺寸参数作为设计变量，以最大等效应力、最大变形量等作为优化目标，以UG能生成曲轴几何模型的变量上下限值作为约束条件。
[0012]进一步地，步骤S4包括：根据设计变量的上下限，合理安排仿真试验方案，并批量计算得到各个试验方案的结果。使用Kriging插值法对得到的试验方案结果拟合响应面，最终得到各变量与各目标间的响应面模型。
[0013]进一步地，步骤S4还包括：建立多目标优化的优化模型，应用多目标遗传算法，在响应面模型上确定三个候选点，并验证候选点，确保响应面及优化过程的合理性。
[0014]本专利技术的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，通过在UG中建立参数化的几何模型，避免了重复构建几何模型的麻烦，并且针对选定的设计变量可以通过Design of Experiments自动且合理地安排试验方案，对每一个试验方案，Workbench都会将设计变量的具体数值返回到UG中去改变曲轴的几何模型，然后自动进行仿真计算，当完成一个试验方案后，又会接着进行一个方案的计算，大大避免了重复进行划分网格、添加接触、增加边界条件、施加载荷的繁琐，同时利用Workbench自带的Response Surface Optimization可以快速根据得到的试验方案结果构建各目标关于各变量的响应面，分析各设计变量对应力、形变的影响敏感性，并在设定的约束条件下通过Optimization中的多目标遗传算法得到一组Pareto最优解，权衡各目标之间的重要性，抉择最终的最优方案。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例提供的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法的流程图。
[0016]图2为本专利技术实施例中曲轴的受力示意图。
[0017]图3为本专利技术实施例中曲轴在各工况下的圆角处应力变化曲线。
[0018]图4为本专利技术实施例中最危险工况下优化前的轴颈与曲柄的过渡圆角上的等效应力云图和曲柄斜面处圆角上的等效应力云图。
[0019]图5为本专利技术实施例中约束条件示意图。
[0020]图6为本专利技术实施例中变量P3、P4关于目标P1、P2的响应面模型。
[0021]图7为本专利技术实施例中最危险工况下优化后的轴颈与曲柄的过渡圆角上的等效应力云图和曲柄斜面处圆角上的等效应力云图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图，给出本专利技术的较佳实施例，并予以详细描述。
[0023]如图1所示，本专利技术实施例提供一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，包括以下步骤：S1：在UG中建立曲轴的参数化几何模型，搭建UG和Workbench数据互通的仿真环境。
[0024]其中，S1具体包括：S11：在参数化模型的建立过程中，必须保证更改参数变量时，构建的曲轴几何模型会跟着发生变化，且保证模型变化是正确的，不会产生报错。
[0025]具体地，打开UG软件选择新建prt文件，建立曲轴几何模型。选取曲轴曲柄斜面的倾斜角P1和曲轴曲柄斜面处的圆角半径P2作为本实施例中的设计变量。在建模之前，需要提前构思好参数化几何模型的建立过程，尽量将建模过程中的重复操作以阵列、镜像等形式完成，大大增加模型参数变化时的容错率。
[0026]S12：搭建UG和Workbench数据互通的仿真环境，实现批量计算试验方案。确保UG能够将模型信息传输给W本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在UG中建立曲轴的参数化几何模型，搭建UG和Workbench数据互通的仿真环境；（2）计算不同工况下的曲轴载荷条件，确定曲轴运转过程中的最危险工况；（3）确定曲轴尺寸优化的设计变量、约束条件及优化目标；（4）安排试验设计方案，构建各变量与各目标的响应面，寻找最优值。2.根据权利要求1所述的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，其特征在于，所述步骤（1）中，构建曲轴的参数化几何模型，通过参数变量来控制生成不同尺寸的曲轴几何模型。3.根据权利要求1所述的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，其特征在于，所述步骤（1）中，通过UG选项卡进入Workbench，并添加DM模块、Static Structural分析模块、Response Surface Optimization模块，搭建整个优化环境。4.根据权利要求1所述的一种基于UG和Workbench的曲轴结构优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中，根据曲轴
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连杆系统的尺寸，推导出不同工况下的曲轴所受连杆力。5.根据权利要求1所述的一种基于UG和Workb...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚钞，宋艳洁，
申请(专利权)人：龚钞，
类型：发明
国别省市：