基于響應面法的缸梁一體式六面頂壓機鉸鏈梁優化

何文斌 姚港生 汪曙光 王良文 明五一 謝貴重 李軻 魯海霞

摘要 六面頂壓機是中國生產金剛石的主要設備，其關重件鉸鏈梁在工作中承受連續的交變載荷，易出現失效破損。提出RSM 和MOGA 相結合的方法，對新型六面頂壓機的鉸鏈梁進行優化分析。首先建立鉸鏈梁的參數化模型，以關鍵部分的尺寸為設計參數，以最大應力和最大位移為目標函數，并對其最大質量進行約束；然后使用DOE 獲得設計試驗點；利用RSM 獲得代理模型；再通過MOGA 法搜索全局最優解，最后對鉸鏈梁的優化結果進行評估。結果表明：優化后的鉸鏈梁在質量略微增加的情況下，剛度和強度有效提高，應力集中現象也明顯改善。

關鍵詞 六面頂壓機；鉸鏈梁；響應面法；多目標遺傳算法

中圖分類號 TH6; TB321; TQ164; TP391 文獻標志碼 A文章編號 1006-852X（2023）04-0523-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0204

收稿日期 2022-11-20 修回日期 2023-01-29

目前，世界上生產金剛石的高溫高壓設備主要有六面頂壓機和兩面頂壓機。中國主要以鉸鏈式六面頂超高溫高壓金剛石合成壓機（簡稱六面頂壓機）來合成金剛石。六面頂壓機的主要優點有：良好的經濟性，穩定的溫度和壓力，簡單的結構，良好的對中性等[1]。目前，國際上90% 以上的人造金剛石是由六面頂壓機合成生產的[2]。近年來，隨著微電子與精密液壓控制等技術的發展和應用，壓機大型化步伐逐步加快，對壓機性能的要求也愈來愈高。但現有六面頂壓機生產效能偏低，與兩面頂壓機的高產出比還有較大差距；設備的精度保持性與抗疲勞性弱，難以滿足高品質金剛石的合成需要。而鉸鏈梁為壓機的關重件之一，其主要作用是承受工作缸內的軸向推力并支撐工作缸，當壓機工作時，鉸鏈梁長期承受循環交變大載荷，容易出現疲勞損傷。為了保證六面頂壓機的安全服役并提高壓機的壽命，需要對鉸鏈梁進行力學分析和結構優化。

王良文等[3] 借助有限元方法，對壓機的實際工作情況進行模擬，得到了鉸鏈梁的應力和變形值。劉竹麗等[4] 利用有限元方法對鉸鏈梁進行疲勞強度結構優化并與其靜強度結構優化對比，得出前者比后者體積增加，最大等效應力下降的結果。張聰等[5] 在鉸鏈梁模型中首次引入銷軸，使凸耳處的載荷更接近實際工況，并利用ANSYS 對鉸鏈梁的受力情況進行仿真，驗證了試驗的正確性。汪曙光[6] 選取鉸鏈梁的主要結構尺寸作為設計變量，對鉸鏈梁進行了優化分析，得出了主要結構參數對鉸鏈梁應力的影響情況。

綜上所述，關于鉸鏈梁的研究已經獲得了些許成果，但這些研究主要是對較小缸徑且工作缸和鉸鏈梁為分體結構的壓機，對于“缸梁一體”式壓機的研究卻很少涉及。為進一步提高鉸鏈式六面頂壓機的性能及經濟性，對新型鉸鏈梁進行了分析和優化，整個優化流程大致可分為3 部分：第一部分，建立起鉸鏈梁的計算機輔助工程CAE（computer aided engineering， CAE）模型并對其進行分析，探究鉸鏈梁的易損點；第二部分，根據有限元結果選取鉸鏈梁關鍵尺寸參數，并建立起優化的數學模型，然后通過標準二階響應面法建立代理模型并對其進行精度評價；第三部分，利用多目標遺傳算法MOGA（multi-objective genetic algorithm，MOGA）算法對鉸鏈梁進行優化，搜索設計目標的最優解，最后對優化結果進行分析和討論。以期有效地提高鉸鏈梁的整體強度和剛度，為“缸梁一體”鉸鏈梁的結構設計和研發提供有益參考。