基于粒子群算法和有限元方法的薄壁圆筒夹持优化研究

发布时间：2017-09-07 04:07

  本文关键词：基于粒子群算法和有限元方法的薄壁圆筒夹持优化研究

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【摘要】：机械产品制造的最后阶段通常是装配,装配质量的好坏决定了产品的最终质量的好坏。随着“中国制造2025”强国战略的实施,中国制造业迈入了全新的发展时期,同时对产品的装配质量有了更高的要求。本文以某固体火箭发动机(薄壁圆筒)自动拧紧机的夹持系统为背景,研究薄壁圆筒装配过程中的夹持变形优化问题。薄壁圆筒的刚性较差,原有夹持方案的夹持位置与夹持力的施加主要以经验设计为主,很难保证薄壁圆筒的稳定最优夹持。所以需要对薄壁圆筒的现有夹持位置进行优化,实现夹持变形最小化,提高产品的装配质量。本文从薄壁圆筒的夹持工艺着手,考虑不同夹持卡爪数对圆筒夹持变形的影响,从内力分析的角度,推导出了不同个数的对称夹持力作用下的圆筒截面弯矩公式;以目前系统所采用的三爪夹持方案为例,分析圆筒在拧紧扭矩作用下不发生转动所需的最小夹持力以及圆筒所能承受的最大夹持力,并推导了圆筒夹持力与径向变形之间的关系。通过对圆筒夹持过程的力学分析,可以快速合理的计算夹持系统所需的夹持力,并为以后夹具的设计改进提供了依据。在力学分析的基础上,论文基于ANSYS有限元仿真平台,创建了薄壁圆筒的有限元仿真分析模型;对薄壁圆筒在三爪以及多爪对称夹持力作用下的变形规律进行了详细分析验证,仿真结果与力学分析结果一致,说明增加夹持卡爪的个数有助于减小薄壁圆筒的夹持变形;根据薄壁圆筒的当前的夹持布局,利用ANSYS的接触分析能力分析了在实际夹持过程中薄壁圆筒在拧紧扭矩以及三爪对称夹持力作用下的变形规律进行了详细分析,为夹持位置的优化奠定了基础。结合粒子群算法的基本原理,论文对其在薄壁圆筒夹持变形优化中的应用方法进行了详细介绍;分析MATLAB与ANSYS的数据通信方法,建立了基于ANSYS和MATLAB的联合仿真夹持优化系统;以最小化薄壁圆筒夹持变形为目标,建立了薄壁圆筒夹持优化模型,并基于粒子群算法和有限元方法对薄壁圆筒的夹持位置进行了优化。然后对优化前后的夹持布局的夹持变形效果进行对比,仿真结果表明,通过粒子群优化之后的夹持布局能够有效改善薄壁圆筒的夹持变形,实现更优的夹持效果。
【关键词】：薄壁圆筒 有限元方法 粒子群算法 夹持优化
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V463;TP18
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 本文研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状综述9-11
• 1.2.1 薄壁圆筒夹持的特点9
• 1.2.2 夹持力及变形量计算研究现状9-10
• 1.2.3 夹持优化算法研究现状10-11
• 1.3 主要研究内容11-12
• 1.4 论文章节安排12-13
• 2 薄壁圆筒夹持过程力学分析13-29
• 2.1 薄壁圆筒夹持工艺分析13-14
• 2.2 夹具的定位原理14-15
• 2.2.1 六点定位原理14-15
• 2.2.2 工件定位中的约束分析15
• 2.3 薄壁圆筒夹持点径向受力分析15-23
• 2.3.1 两爪对称夹持产生的弯矩16-18
• 2.3.2 三爪对称夹持产生的弯矩18-19
• 2.3.3 四爪对称夹持产生的弯矩19-20
• 2.3.4 多爪对称夹持产生的弯矩20-23
• 2.4 薄壁圆筒临界夹持力分析23-25
• 2.4.1 圆筒所需的最小夹持力23-24
• 2.4.2 圆筒所能承受的最大夹持力24-25
• 2.5 夹持方式的选择25-26
• 2.6 薄壁圆筒夹持力与径向变形之间的关系26-28
• 2.7 本章小结28-29
• 3 薄壁圆筒夹持变形的有限元仿真分析29-45
• 3.1 有限元分析方法概述29-31
• 3.1.1 接触非线性有限元分析理论30
• 3.1.2 接触约束算法30-31
• 3.2 基于ANSYS的装夹变形有限元仿真过程31-34
• 3.2.1 基于ANSYS的有限元仿真步骤32-34
• 3.2.2 ANSYS的接触分析能力34
• 3.3 薄壁圆筒夹持点径向受力变形仿真分析34-40
• 3.3.1 夹持点数量与夹持变形仿真分析34-36
• 3.3.2 三爪对称夹持力与径向变形夹持变形仿真分析36-40
• 3.4 薄壁圆筒夹持接触过程仿真分析40-44
• 3.5 本章小结44-45
• 4 基于粒子群算法和有限元的薄壁圆筒夹持变形优化45-55
• 4.1 粒子群算法概述45-48
• 4.1.1 粒子群算法的基本原理45-46
• 4.1.2 粒子群算法的基本实施步骤46-47
• 4.1.3 粒子群算法的效率提高47-48
• 4.2 夹持优化模型的建立48-49
• 4.3 基于ANSYS和MATLAB的夹持变形优化系统49-50
• 4.4 基于有限元方法和粒子群算法的装夹优化实现过程50-52
• 4.5 装夹优化结果分析52-54
• 4.6 本章小结54-55
• 5 总结与展望55-57
• 5.1 总结55
• 5.2 展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-61
• 附录61
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文及专利目录61
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录61

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本文编号：807310