ProE中曲柄模型尺寸的可行性研究與優(yōu)化分析

劉朋

ProE中曲柄模型尺寸的可行性研究與優(yōu)化分析

劉朋1，2

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441000；2．汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北襄陽(yáng)441000）

利用Pro/E軟件自帶的可行性/優(yōu)化功能對(duì)一曲柄模型尺寸進(jìn)行分析，首先得出曲柄結(jié)構(gòu)滿足靜態(tài)平衡這一可行性要求，再對(duì)其相關(guān)尺寸進(jìn)行優(yōu)化使得曲柄的質(zhì)量最小，節(jié)省了繁雜的人工設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證過程和寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)間，獲得了最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果。

Pro/E；可行性研究；優(yōu)化分析

可行性研究，是判斷設(shè)計(jì)目標(biāo)在一定的設(shè)計(jì)變量范圍或約束條件下是否有解決方案的過程，在滿足設(shè)計(jì)要求下，可能會(huì)有很多解決方案，找出其中一個(gè)最優(yōu)的方案使設(shè)計(jì)目標(biāo)最小化或最大化的過程，即是優(yōu)化分析。優(yōu)化分析是建立在可行性研究的基礎(chǔ)上，若可行性研究不通過，則就不存在優(yōu)化分析。可行性研究和優(yōu)化分析都是通過在限定的尺寸范圍內(nèi)搜尋解決方案以滿足特定約束，經(jīng)過數(shù)次計(jì)算迭代后輸出結(jié)果[1]。

1 曲柄模型尺寸可行性研究

曲柄零件是個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，曲柄的重心必須與其旋轉(zhuǎn)中心重合才會(huì)符合靜態(tài)平衡，即以手動(dòng)方式放置曲柄至任意位置，曲柄都會(huì)靜止，不會(huì)因重力作用而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言，即曲柄的重心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離為零。很顯然，要建立模型分析特征，創(chuàng)建模型質(zhì)量屬性，得到曲柄重心的坐標(biāo)參數(shù)值，即X COG、Y COG，X COG為重心的X值，YCOG為重心的Y值，要執(zhí)行可行性研究，要有設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)變量，設(shè)計(jì)變量為一組在一定范圍內(nèi)可以改變的模型尺寸，設(shè)計(jì)約束為要滿足的條件。系統(tǒng)會(huì)在滿足設(shè)計(jì)約束的前提下，尋找一組尺寸值輸出。本例中的設(shè)計(jì)約束為X COG=0，Y COG=0，設(shè)計(jì)變量添加的尺寸為與曲柄上圓孔的拉伸特征有關(guān)的4個(gè)尺寸值，如圖1所示。

圖1 曲柄模型尺寸可行性研究

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)可以找到可行解決方案，其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量尺寸值也會(huì)在模型上顯示出來。用戶可以根據(jù)需要接受這些新的尺寸值，也可以撤銷或者保存這種分析結(jié)果。這里需要強(qiáng)調(diào)的是修改設(shè)計(jì)變量的最小值或最大值可以改變系統(tǒng)計(jì)算的范圍，若未找到可行性解決方案，可適當(dāng)放大變量值計(jì)算范圍，另外，在滿足設(shè)計(jì)約束的條件下可能會(huì)有很多解決方案，但系統(tǒng)只會(huì)輸出一種可行方案，尋找到即停止計(jì)算，不會(huì)列出所有的可行方案。

2 曲柄模型尺寸優(yōu)化分析

優(yōu)化分析用于解決設(shè)計(jì)目標(biāo)受到約束時(shí)的可行性問題，并輸出唯一的最優(yōu)解。這里把曲柄零件的質(zhì)量最小作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)變量的設(shè)置如同可行性研究[2-6]，如圖2所示。

圖2 曲柄模型尺寸優(yōu)化分析

經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)給出提示：此部件優(yōu)化成功，并把優(yōu)化后的相關(guān)尺寸在三維模型中顯示出來，用戶可根據(jù)需要確認(rèn)模型修改或保存這個(gè)優(yōu)化分析或撤銷恢復(fù)原來的模型狀態(tài)。

圖3顯示的是曲柄質(zhì)量與迭代數(shù)之間的優(yōu)化目標(biāo)收斂圖，在迭代數(shù)為2以后，曲柄的質(zhì)量不再變化，在迭代數(shù)為3時(shí)就停止了優(yōu)化計(jì)算，這時(shí)系統(tǒng)認(rèn)定已達(dá)到最小值。更改收斂性標(biāo)準(zhǔn)或最大迭代次數(shù)有可能會(huì)使結(jié)果更有效。收斂性標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值作為評(píng)判當(dāng)前的迭代值和先前的計(jì)算值的差值依據(jù)，這個(gè)值越小，計(jì)算所用的時(shí)間越久，相應(yīng)的，計(jì)算的結(jié)果就會(huì)更精確。最大迭代次數(shù)可以使用系統(tǒng)默認(rèn)的數(shù)值或用戶根據(jù)需要設(shè)定，這個(gè)值越大，計(jì)算所用的時(shí)間越久，計(jì)算的結(jié)果越精確。另外，優(yōu)化分析的核心在于計(jì)算算法上，在Pro/E中，用戶不必理會(huì)其后臺(tái)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法程序，這些工作統(tǒng)統(tǒng)由Pro/E完成，從而用戶可以把時(shí)間精力多花在零件的三維建模上，一般而言，在優(yōu)先選項(xiàng)卡默認(rèn)選擇中，算法采用標(biāo)準(zhǔn)算法優(yōu)化模型。

圖3 優(yōu)化目標(biāo)收斂圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在Pro/E中，可行性研究和優(yōu)化分析集成在了一個(gè)對(duì)話框里，方便用戶的操作，其界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，只需給定相應(yīng)設(shè)計(jì)約束、設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)，即可進(jìn)行分析。在進(jìn)行可行性分析和優(yōu)化分析時(shí)，系統(tǒng)所尋求到的解決方案，是一種局部解，并不是一種全局最優(yōu)解，因?yàn)樵O(shè)計(jì)變量是限定在一定的范圍內(nèi)，并不是在全局域內(nèi)，這也符合工程實(shí)際要求，沒有哪個(gè)零件的尺寸可以毫無限制。本文以一曲柄零件為例，闡述了可行性研究和優(yōu)化分析的步驟和特點(diǎn)，同理可以推廣到其它有關(guān)機(jī)械零件三維設(shè)計(jì)中，幫助工程師明確設(shè)計(jì)意圖，大大提高設(shè)計(jì)效率，減輕工作勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]張鳳翔.基于Pro/E的曲柄模型可行性與最優(yōu)化分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（06）：68-69.

[2]魚春燕.曲軸性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005.

[3]蔣立軍.內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006.

[4]李玲純.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].蕪湖：安徽工程大學(xué)，2011.

[5]王海濤，賀得飛，鐘靈.S195單缸柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2008（04）：78-80.

[6]何孔德，何玉林，杜靜，等.發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)連桿質(zhì)量的優(yōu)化配置[J].機(jī)械與電子，2005（11）：56-59.

Feasibility Study and Optimization Analysis of Crank Model Dimension in ProE

LIU Peng1，2
（1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei441000，China；2.The Collaborative Innovation Center of Hubei Province for Auto Parts Manufacturing Equipment Digitization，Xiangyang Hubei 441000，China）

The size of a crank model feasibility analysis/with the use of Pro/E software optimization，first obtains the crank structure meets the static balance the feasibility，then the related parameters were optimized so that the minimum quality of the crank to save calculation verification process of the artificial design complex and design time，obtained the best design results.

Pro/E；feasibility study；optimization analysis

TP319

A

1672-545X（2017）02-0218-02

2016-11-26

劉朋（1987-），男，安徽臨泉人，助教，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作。