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清华大学学报(自然科学版)  2020, Vol. 60 Issue (12): 1016-1022    DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016
  机械工程 本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索 |
基于分层结构的伺服压力机滑块轻量化设计
彭发忠1,王传英2,柴恒辉2,邵珠峰1,*(),王帅奇1,王博文1
1. 清华大学 机械工程系, 摩擦学国家重点实验室, 精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室, 北京 100084
2. 济南二机床集团有限公司, 济南 250022
Lightweight slider design for a servo press based on its layered structure
Fazhong PENG1,Chuanying WANG2,Henghui CHAI2,Zhufeng SHAO1,*(),Shuaiqi WANG1,Bowen WANG1
1. Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-Precision Manufacturing Equipment and Control, State Key Laboratory of Tribology, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Jier Machine-Tool Group Co., Ltd., Jinan 250022, China
全文: PDF(7671 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

滑块是伺服压力机的重要组成部分,滑块质量直接影响压力机制造成本和精度。针对目前大型伺服压力机的滑块仍然存在结构不尽合理和质量过大的问题,该文以滑块结构轻量化为目标,结合滑块的结构特点和不同优化方法的优缺点,提出了一种基于分层结构的滑块轻量化设计方法。给出了实用的载荷分析模型以及边界条件的确定方法,作为ANSYS优化分析的基础。考虑到滑块上半部分所起的连接和支撑作用,在保证功能约束的前提下,采用拓扑优化实现其材料的最大化切除;对参数结构较为明确的滑块下半部分展开参数优化,优化隔板的厚度以及布局。利用ANSYS软件对整体优化方案进行了验证,在保证刚度要求的基础上,整体优化方案降低了滑块质量,实现了滑块轻量化。该文所提方法为机械产品的轻量化设计提供了一种有效途径。

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作者相关文章
彭发忠
王传英
柴恒辉
邵珠峰
王帅奇
王博文
关键词 伺服压力机滑块轻量化拓扑优化参数优化    
Abstract

The slider is an important component of a servo press and its mass directly affects the punching accuracy and manufacturing cost. Some servo presses have bad slider structures and the sliders are too heavy. This paper presents a lightweight slider design method based on its layered structure using different optimizations. A load analysis model is developed to determine the boundary conditions for an ANSYS optimization analysis. Then, the connection and support of the upper part of the slider are analyzed using topology optimization to remove the maximum amount of material. The design parameters for the lower part of the slider are then optimized to optimize the separator thickness and layout. Finally, ANSYS is used to verify the overall optimized design. Thus, the slider mass is reduced while still ensuring sufficient rigidity of the slider. The method given in this paper provides an effective design method for lightweight mechanical products.

Key wordsservo press    slider    lightweight    topology optimization    parameter optimization
收稿日期: 2020-04-09      出版日期: 2020-10-14
通讯作者: 邵珠峰     E-mail: shaozf@tsinghua.edu.cn
引用本文:   
彭发忠,王传英,柴恒辉,邵珠峰,王帅奇,王博文. 基于分层结构的伺服压力机滑块轻量化设计[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2020, 60(12): 1016-1022.
Fazhong PENG,Chuanying WANG,Henghui CHAI,Zhufeng SHAO,Shuaiqi WANG,Bowen WANG. Lightweight slider design for a servo press based on its layered structure. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2020, 60(12): 1016-1022.
链接本文:  
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016  或          http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2020/V60/I12/1016
  (网络版彩图)滑块结构及其简化模型
  均载工况受力示意图
  许用偏载示意图
  偏载工况受力示意图
  (网络版彩图)均载工况边界条件
  (网络版彩图)x向偏载工况边界条件
  (网络版彩图)z向偏载工况边界条件
  (网络版彩图)优化区域布置
  (网络版彩图)拓扑优化结果
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016.T001

拓扑优化前后最大变形和最大应力

位置 最大变形/mm 载荷 最大应力/MPa
优化前 优化后 优化前 优化后
底板 0.413 0 0.414 0 均布载荷 130.61 133.77
x向滑轨 1.253 6 1.327 4 x向偏载 141.75 142.18
z向滑轨 0.510 3 0.864 2 z向偏载 91.11 95.37
  
拓扑优化前后最大变形和最大应力
  (网络版彩图)均载条件下参数优化边界条件
  简化后的滑块1/2模型
  参数优化对象选取
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016.T002

各参数初始值及设计变化变化范围

编号 参数 初始值/mm 范围/mm 优化值/mm
1 h1 60 40~60 60
2 h2 50 30~50 34
3 h3 50 30~50 34
4 h4 80 50~80 60
5 h5 80 50~80 50
6 h6 160 120~160 130
7 L1 450 350~550 350
8 L2 490 400~590 480
9 L3 408 300~500 450
  
各参数初始值及设计变化变化范围
10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.016.T003

滑块分界层以下部分优化结果

变形/mm 最大应力/MPa 质量/kg 质量减少百分比/%
原模型 0.380 47 64.75 34 167×2 4.56
优化后 0.378 56 69.60 32 608×2
  
滑块分界层以下部分优化结果
  (网络版彩图)滑块整体结构的优化前后对比
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