【摘要】：随着我国制造业的不断发展,大型装备特别是巨型重载操作装备所表现出来的重要性越来越明显,如大型锻造操作机在提高钢铁工业的产品质量、生产效率方面效果明显,但我国却还没有拥有自主知识产权的巨型重载操作装备的核心技术,因此研制性能优越的巨型重载操作装备成为了一个重要的课题,其中如何对巨型重载操作装备进行顺应能力等性能的测试与标定也是一个亟待解决的问题。在实际锻造现场,锻造操作机是配合大型压机进行锻造的装备,主要任务是搬运、送进、翻转和夹持锻件。当压机锻打工件时,操作机夹钳需同时夹持工件,这时锻件变形会对操作机产生瞬间上百吨的变形抗力,锻件变形抗力表现为峰值高、有突变的特点,因此锻造操作机的顺应性能力是指操作机有效吸收巨大载荷、减少界面受力与控制装备受力的能力,如果锻造操作机的顺应策略不当将会造成夹钳断裂等事故。锻造过程中锻件在操作机夹钳接触界面处所表现出来的行为特征及力位特性规律是影响锻造操作机顺应策略的主要因素,因此如何通过实验装置与方法还原复杂锻造工况规律是进行锻造操作机顺应性能测试所面临的挑战。基于以上挑战,本文的具体研究内容主要包括:一、典型锻造工艺的工况行为特征与规律研究传统的数值模拟只考虑锻造工艺系统本身,忽略了操作机的介入,实际中锻件成形存在着操作约束,包括操作机的垂直顺应和水平顺应约束,因此大型锻件成形过程中,除了锻件本身内部变形-传热-微观演变的多场耦合作用外,锻件与操作机也存在复杂的交互作用。锻造过程中锻件在操作机夹钳接触界面处所表现出来的行为特征及动态特性规律,既是锻造工艺分析的新问题,也是进行工况模拟装置设计的重要依据与锻造工况还原的根本前提。本文针对高温锻件典型锻造工艺过程,基于热力耦合刚粘塑性有限元法,对锻造工艺系统主要约束变参量与操作装备夹钳界面处抗力载荷的映射关系进行了分析,获取了不同顺应约束条件下锻件在操作机夹钳接触界面处的载荷特征,建立了锻造工况等效阻抗模型,获得了锻造工况的模拟特性,从而为设计锻造工况模拟装置与工况还原实验提供了依据。二、基于全局运动学性能评价体系的锻造工况模拟装备构型设计针对模拟工况特征提出了一种二自由度并联装备,并联机构的运动学性能可以描述为工作空间内的运动学性能指标的数据集合,存在着全局范围的分布不均、趋势波动的问题,同时并联机构的运动学评价指标众多,因此建立系统的全局运动学评价体系,将有利于更加全面的分析评价装备机构运动学性能,从而优化装备结构。本文基于正/逆运动学模型与速度雅可比矩阵,建立了包含运动传递能力与运动传递精度/敏感度的运动性能评价体系,结合数据统计方法提出了操作空间数据的分布评价向量,从而建立了全局运动学评价体系,并基于该评价体系对并联机构的操作性能、灵巧度、误差敏感度等运动学性能进行了优化设计,获得了构型运动学参数优化域,同时也通过仿真验证了全局评价向量的全面性与全局运动学性能评价体系的完整性。三、基于全载荷静力学评价体系的力承载性能优化设计在力位还原过程中,并联机构的拓扑结构、位型、尺度参数共同决定了并联机构的载荷承载能力,载荷承载性能除了包含从内到外的力传递能力,还应包括实现外部载荷承载时内部载荷的力承载能力。力传递能力越大,则可获得更大的机构末端载荷复现能力;而内部载荷承载分布越均匀,则会更加充分的发挥并联机构各结构部件的材料性能。在构型设计阶段建立考虑系统全载荷的并联机构力承载性能评价体系,对于快速预估整机力还原能力与力承载情况有着重要的指导意义。本文基于并联机构刚体静力学模型,结合并联机构受载特点,提出了全载荷力雅可比矩阵,基于全局分布评价向量建立了考虑系统全载荷的并联机构力承载性能评价体系,从而评价了系统从内至外的力传递能力与外载荷作用下的内载荷承载能力,获得了静力承载性能参数优化域,形成了考虑全载荷分布的机构力承载性能设计优化方法。四、基于能量分布的锻造工况模拟装置刚度评价与匹配力位还原过程中机构静刚度是保证运动还原的精度与支撑载荷承载的能力的重要基础,刚度性能不仅与并联机构的拓扑结构、位型有关,同时与机构的尺度参数、截面参数、质量、材料性能等相关,末端刚度的设计过程实际为内部各构件刚度、机构尺度参数、物理参数的匹配设计过程。本文基于虚功原理与线性叠加原理建立了锻造工况模拟装备刚度模型;基于系统弹性势能分布特征与刚度矩阵建立了系统刚度性能评价指标体系,形成考虑载荷分布、势能均布与末端刚度的机构刚度性能匹配设计优化方法,获得刚度参数优化域;最终通过多目标优化,获得了运动学、静力学、刚度的协调优化域,建立系统的并联机构刚度性能匹配设计方法与评价体系,对于快速设计与预估整机静刚度性能有着重要的指导意义。五、锻造工况模拟实验平台与顺应性实验验证聚焦锻造工况还原模拟技术的应用,以操作机顺应性为核心,基于运动学、静力学、刚度性能的参数匹配与优化结果,构建了基于力位控制系统与组态王监控技术的锻造工况模拟实验平台,进行了锻造操作机的顺应性性能实验,验证了操作机的顺应性能与锻造工况模拟器的力学与刚度模型,最终获得了锻造操作机顺应策略,为巨型重载操作装备力承载能力、顺应能力等性能的测试与标定提供平台支持,也为其它载荷与运动模拟领域的装置设计提供方法与原理参考。综上所述,本文基于锻造工艺工况行为特征模型,提出了可进行力/位还原的二自由度FORGE并联机构,建立了包含运动传递能力与运动传递精度/敏感度的机构全局运动性能评价体系,形成了考虑系统内外全局载荷的力承载性能评价方法,基于势能均布原则与期望末端刚度形成了刚度匹配设计准则与全局刚度评价指标,从而进一步对锻造工况模拟器的机构构件刚度、机构尺度参数、物理参数等进行了匹配设计与优化,建立了锻造工况模拟实验平台,为巨型重载操作装备力承载能力、顺应能力等性能的测试与标定提供了平台支持,也为载荷与运动模拟领域的并联机构设计提供了理论依据与方法支撑。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG315
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本文编号：
2417853
