基于时序变动偏差的公差分析及优化

发布时间：2020-05-25 07:31

【摘要】：在复杂机械装置的整个生命周期中,公差的设计与控制可直接影响其成本、性能和质量。随着科技的发展和消费者对产品要求的提高,企业亟需在产品设计、制造、装配和工作的各个阶段减少成本和缩短研发周期以提高自身竞争力。公差分析的目的是研究尺寸和几何公差对产品装配功能要求的影响,它是公差优化的基础,公差优化是为了得到更合理的公差设计方案。公差分析及优化是提高生产产品的质量、降低成本的重要手段。因此,在产品设计初始阶段分析设计公差的合理性并进行优化具有重要的工程意义。在现代机械装备中,一些零件处于高温和载荷共同作用的工作环境,在运行中不可避免地产生变形偏差,且连接副间隙的存在会导致零件间配合位置产生偏差。运转工况下,温度和载荷共同作用下零件的热力耦合变形偏差以及连接副间隙导致的零件间配合位置偏差,随着机械运转时间而变化,即时序变动偏差,会导致机械装置装配体累积偏差发生变化,直接影响产品的工作性能。随着对机械装备性能要求的提高,考虑以上偏差的公差分析及优化越来越值得进行研究。然而,现有的公差分析及优化方法较少考虑运转工况下偏差的时序变动。本文在现有公差分析及优化研究方法的基础上,引入时序变动偏差的概念,提出基于时序变动偏差的公差分析及优化方法。研究内容如下:(1)建立考虑热力耦合变形偏差的公差分析法。首先,根据热力耦合原理,利用有限元软件计算温度和载荷共同作用下零件的热力耦合变形偏差。然后,基于向量环原理,将变形偏差集成到装配体向量环模型中,建立考虑热力耦合变形偏差的公差分析数学模型。最后,采用蒙特卡罗法求解公差分析数学模型,分析热力耦合变形偏差对装配体关键尺寸的影响。为后续基于时序变动偏差的曲柄滑块机构的公差分析及优化中,考虑曲柄的时序变动的热力耦合变形偏差的研究奠定了理论基础。(2)分析连接间隙对机构运动精度的影响。首先,对连接间隙引起的配合位置偏差进行数学描述并判断连接间隙间的有效碰撞。然后,利用多体动力学原理建立考虑连接间隙的曲柄滑块机构的动力学模型,仿真分析连接间隙对产品性能的影响,为后续时序变动的配合位置偏差的求解奠定了基础。(3)基于时序变动偏差的曲柄滑块机构的公差分析及优化。在上述研究内容的基础上,首先以曲柄滑块为例,将时序变动偏差,即曲轴的变形偏差、曲轴与连杆间的连接副间隙引起的配合位置偏差,集成到公差分析数学模型中。然后,利用蒙特卡罗法求解发现,时序变动偏差会导致关键尺寸分布的偏移,且不同时刻偏移量不同。这表明静态下的公差分析不能准确预测产品实际工作性能,同时也验证了本课题研究的重要意义。最后,为了在零件制造精度提高的同时,减少零件精度的变化对成本的影响,引入了公差敏感度这一评判指标。建立同时使总成本、成本-公差敏感度最小的多目标优化函数,且将时序变动偏差考虑进公差优化装配功能要求的约束方程中,建立考虑时序变动偏差的公差优化数学模型,将优化结果与原始数据对比,验证了本文提出的方法的精确有效性。
【图文】：

活塞,缸体,装配体,动态间隙

山东大学硕士学位论文逡逑键尺寸，文中用ｒ３表示。该装配体尺寸特征和所示，其中ｎ是缸体的内半径，「２是活塞外半表２－１活塞和气缸尺寸变量的数据值逡逑名义尺寸（ｍｍ）逦公差带逡逑１８．２９逦０．０３逡逑１８．２３逦０．０１逡逑表２－２活塞和气缸几何特性的数据值逡逑名称逦名义值（ｍｍ）邋公差带逡逑缸体圆柱度逦０逦０．００８逡逑同轴度逦０逦０．０１０逡逑活塞圆柱度逦０逦０．００６逡逑Ｉ逦＿逡逑

热力耦合,公差分析,工况,流程图

差信息、几何偏差信息、装配关系信息建立装配体向量环模型，从而得到考虑热逡逑力耦合变形的公差分析数学模型；最后采用蒙特卡罗法求解得到装配间隙的分布逡逑特征。如图２－２为公差分析的整个流程。逡逑公差设计及逡逑装配分析＾逡逑建立公差分逡逑热力z1口变形—析数学模型逡逑蒙特卡罗仿真邋逦逡逑１邋－逦公差优化逡逑关键尺寸逦Ｊ；逡逑Ａ否满足、否逡逑．．功能要求，Ｚ逡逑：＇ｒ邋是：、逡逑ｑ结束）逡逑图２－２考虑热力耦合工况变形的公差分析流程图逡逑２．１＿邋２热力耦合变形求解逡逑尺寸特征偏差与几何特征偏差为已知条件，为了得到装配间隙ｎ的分布，逡逑需分析活塞与气缸在热力耦合工况下的变形量，即活塞与气缸的动态间隙影响因逡逑素。活塞与缸体的材料特性如表２－３所示。热力耦合工况下，，活塞在最高温度可逡逑达２５００Ｋ以上、压强为９ＭＰａ的高温高压气体中往复运动，活塞的顶部会产生逡逑高达Ｉ８ＫＷ的动力，温度在６００－７００Ｋ之间。利用有限元仿真得到工况下活塞及逡逑气缸的温度分布及热力耦合变形如图２－３所示。逡逑ＩＩ逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG801

【参考文献】