夹紧顺序与夹具布局的同步优化及稳定性分析

论文摘要

夹具在机械加工中起着重要的作用,它直接影响机械加工的质量、生产效率和成本。本文针对工件在夹紧过程中的变形问题及在加工过程中的失稳问题,改进了基于线性规划的工件稳定性分析方法,提出了基于遗传算法的夹具布局与夹紧顺序同步优化方法,这两种方法有效降低了工件变形,保证了工件在定位、夹紧及加工过程中的稳定性,提高了加工精度。首先,介绍了夹具优化设计的基本理论、方法,详细论述了最小余能原理、线性规划技术、遗传算法及其在夹具优化设计中的应用。采用弹簧边界条件代替工件与夹具间的非线性接触,改善了优化收敛性能,提高了优化速度。其次,基于力学与线性规划方法,建立了工件稳定性模型,在摩擦锥线性近似以及变量非负转换的基础上,改进了工件稳定性的定量判断准则,实现了稳定性模型的求解。该模型简单、通用性好,适用于各种夹持方式以及各种工况下的工件稳定性分析。既能够解决夹具设计早期阶段对工件稳定性分析与验证的问题,也为计算机辅助夹具设计(CAFD)提供了理论基础。再次,建立了夹紧顺序与接触力及节点位移增量之间关系的数学模型,给出了各夹紧步骤中工件夹具系统的静力平衡方程;在此基础上,根据最小余能原理及库仑摩擦定律,构建了装夹方案优化模型,提出了夹具布局与夹紧顺序同步优化方法。最后,通过三个实例验证了所提方法的有效性。第一个实例为无摩擦状态下的工件稳定性分析,第二个实例为有摩擦状态下的工件稳定性分析,这两个实例的结果表明,稳定性模型不仅能够解决工件的稳定性问题,而且还能够分析夹紧力大小以及夹紧顺序的合理性;第三个实例对铝合金薄壁件进行模拟分析,结果显示,这种方法解决了使用分步优化及传统优化方法而存在的问题,确保得到全局最优解,极大地降低了工件变形量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 夹具设计概述
• 1.2.2 夹具优化的发展和研究现状
• 1.2.3 工件稳定性分析的发展和研究现状
• 1.3 论文的主要研究工作
• 2 夹具优化设计的关键技术
• 2.1 概述
• 2.2 最小余能原理
• 2.3 线性规划
• 2.3.1 线性规划的概念
• 2.3.2 线性规划的标准形式
• 2.4 遗传算法及其在夹具优化中的应用
• 2.4.1 遗传算法的概念
• 2.4.2 遗传算法与传统方法的比较
• 2.4.3 遗传算法运算流程
• 2.4.4 遗传算法在夹具优化中的应用
• 2.5 夹具优化中的接触问题
• 2.5.1 接触变形分析
• 2.5.2 工件夹具间的接触分析
• 2.6 有限元优化法
• 2.7 本章小结
• 3 工件稳定性分析
• 3.1 概述
• 3.2 接触旋量分析
• 3.3 工件的平衡约束
• 3.4 工件稳定性模型
• 3.5 稳定性模型的求解
• 3.5.1 无摩擦工件稳定性模型的求解
• 3.5.2 有摩擦工件稳定性模型的求解
• 3.6 工件稳定性分析实例
• 3.6.1 无摩擦工件稳定性分析实例
• 3.6.2 有摩擦工件稳定性分析实例
• 3.7 本章小结
• 4 夹紧顺序与夹具布局的同步优化
• 4.1 概述
• 4.2 接触力模型
• 4.3 夹紧顺序分析模型
• 4.3.1 定位阶段
• 4.3.2 夹紧阶段
• 4.4 优化模型的建立
• 4.5 优化模型的求解
• 4.6 实例优化与比较
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢