[发明专利]一种带槽抽壳模板的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种带槽抽壳模板的优化设计方法，所述方法是基于有限元法的结构优化与数值分析相结合的技术方案，在概念设计阶段确定最佳拓扑结构，并在详细设计阶段根据吸收能量确定其开槽间隙、厚度，以保证拓扑结构最佳、重量最轻的抽壳模板结构。和传统设计相比，在满足强度的前提下重量能减轻30％左右。能够最大限度吸收冲击力，本发明的方法所设计的带槽抽壳模板，减震性高，冲击小，从而提高抽壳系统的动作平稳性。该优化设计方法也可用于其他带槽以吸冲的产品结构设计。

主权项

1.一种带槽抽壳模板的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据抽壳模板的基本设计参数，确定抽壳模板外形尺寸，建立所述抽壳模板三维模型；(2)根据三维模型建立所述抽壳模板的三维实体有限元模型，并在三维实体有限元模型基础上建立拓扑优化模型，进行负载工况下拓扑优化设计；(3)根据拓扑优化设计结果，圆整后建立优化后的抽壳模板三维模型，将优化后结构的顶端连接处切断，则形成左右两部分悬臂结构，顶端受载状态为脉动循环变压力；建立抽壳模板顶端连接处切断后的有限元模型，设置切断面为非接触，在负载位置施加一个强制位移U1，并绘制最大应力点的等效应力‑位移曲线，取应力值为抽壳模板材料σ0b的90％时的位移为抽壳模板开槽间隙U0，σ0b为材料弯曲时的脉动循环疲劳极限强度；(4)建立开槽间隙为U₀的有限元模型，设置左开槽面为接触主面，右开槽面为接触次面，在负载位置施加强制位移U₂，得到最大应力点的等效应力‑位移曲线，取应力值达到抽壳模板材料屈服强度的90％时的位移与力，绘制力‑位移曲线，则抽壳模板吸收的能量式中，k₁、k₂分别为力‑位移曲线中折线的两条线段的斜率，s₁、s₂分别是两条线段的末端端点对应的位移值，s是抽壳模板最大应力点的位移，b是第二条线段的截距；(5)比较抽壳模板吸收能量W与抽壳机构抽壳时所做功E的大小，当W≥E时，则设计结束；当W≤E时，则将抽壳模板厚度取9组值，分别建立有限元接触模型，返回步骤(4)，找出抽壳模板结构吸收能量W与厚度δ的关系，得出厚度系数δ₀，并推出函数表达式(6)根据上述的能量W与厚度δ函数关系式，已知抽壳机构抽壳时做功E，计算得出需要模型的厚度值δm，确定最终抽壳模板模型，即把该设计作为实际实体抽壳模板结构；其中，步骤(2)所述的三维实体有限元模型的单元采用六面体，设计区域厚度方向至少设置8层；所述三维实体有限元模型的上部受载区域采用多点运动耦合节点约束，并在多点运动耦合节点上施加强制位移，且约束三维实体有限元模型底面所有节点的六个自由度；所述的拓扑优化模型中设计目标是体积分数最小化，约束变量为Von Mises小于许用应力[σ]，设置拔模方向为抽壳模板模型的厚度方向，最小尺寸为单元尺寸的2到3倍，底座设置为非设计区域，抽壳模板上面部分为设计区域；步骤(3)所述拓扑优化设计结果中去除单元伪密度0.3以内的部分，根据剩下部分找出抽壳模板的最佳传力路径，确定优选方案；所述将优化后结构的顶端连接处切断，位置是在拓扑优化出两部分加强筋接触的位置，建立的模型中切断面是非接触的；步骤(4)所述开槽的方式是沿切断面，水平向右去除材料，在左右加强筋中间形成一个长U0的间隙，建立其有限元模型，设置左开槽面为接触主面，右开槽面为接触次面，得到的力与位移曲线是非线性的。