一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法

2023-06-15 01:11:51

一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法
【專利摘要】本發明涉及一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其步驟如下：1)建立運動機構原理圖，確定運動機構的載荷工況，生成運動軌跡圖；2)提取運動機構載荷信息，自動繪製運動機構驅動載荷曲線，疊加運動機構多種載荷工況，並提取運動機構所承受的最大載荷；3)優化設計運動機構初始方案；最終使運動機構的設計達到最優化。本發明採用上述方案，在設計初期即可根據機構件的坐標位置快速提取出零件在不同工況、不同時刻的內部載荷，使得強度人員可以在得到機構件具體的Catia實體模型之前即對機構系統進行初步的強度校核和優化設計，確保機構系統的設計從一開始就是最優的方案，以便充分縮短設計周期、節約研發成本。
【專利說明】一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及運動機構設計領域，具體地來講是一種適用於機構設計初期，能夠快速提取運動機構內部載荷並對設計方案進行優化的一種方法。

【背景技術】
[0002]由於專業的動力學仿真分析需要以機構系統的Catia實體數模為基礎，目前對於運動機構內部載荷的設計，多是在機構件實體模型完成後，通過動力學仿真軟體提取其在各工況下、各時刻的內部載荷，進而對機構件本體進行強度校核及優化設計。這種模式的弊端在於，通常整個運動機構系統的Catia實體模型要在設計後期才能完成，此時整個系統的結構件和機構件的空間站位已經基本確定，如果發現機構件內部載荷不滿足要求或者不是最優設計，就只能對整個設計方案進行大幅調整，無疑會導致設計周期延長，設計費用增加。


【發明內容】

[0003]本發明的目的是針對現有方法的不足，提供一種可以在設計初期快速提取運動機構內部載荷的方法，以便對整個機構系統的設計方案進行初步的分析和優化，確保設計方案的合理性。
[0004]為實現上述目的，本發明的技術方案提供一種快速提取運動機構內部載荷並對設計方案進行初步優化的方法。
[0005]本發明的目的是通過下述技術方案實現的:
[0006]一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於，步驟如下:
[0007]I)建立運動機構原理圖，確定運動機構的載荷工況，生成運動軌跡圖；具體為:
[0008](1.1)在運動機構參考坐標系下建立運動機構原理圖；
[0009](1.2)確定運動機構的載荷工況；
[0010]所述運動機構中的載荷工況，即對載荷和約束的分類和組合，包括:運動機構自重、運動機構運動過程中所承受的風載、運動機構運動過程中發生卡滯、運動機構的運動驅動等；
[0011](1.3)根據運動機構中的載荷，建立局部坐標系；根據運動機構的整體坐標系及運動機構受載方向，定義分析所採用的局部坐標系，分析所採用的局部坐標系可以與運動機構整體坐標系一致，也可以與整體坐標系不一致；
[0012](1.4)運動機構連接點坐標輸入；
[0013]輸入運動機構各連接點及工況作用點在運動整體坐標系中的位置坐標；
[0014](1.5)自動生成運動機構位置圖；
[0015]在完成步驟(1.4)之後，自動生成運動機構位置圖；此時需要判斷生成的運動機構位置圖與結構設計的運動機構位置圖是否一致，若一致，則執行步驟(1.6)，若不符合設計要求，則返回步驟(1.4)檢查重新輸入運動機構連接點坐標；
[0016](1.6)自動建立運動機構各連接點運動軌跡圖；
[0017]在完成步驟(1.5)之後，自動生成運動機構運動過程中各連接點的運動軌跡圖；判斷生成的各連接點運動軌跡是否符合設計要求，若符合，則進行本方法的步驟(2.1)，若不符合設計要求，則返回步驟(1.4)檢查重新輸入運動機構連接點坐標；
[0018]2)提取運動機構載荷信息，自動繪製運動機構驅動載荷曲線，疊加運動機構多種載荷工況，並提取運動機構所承受:的最大載荷；具體為:
[0019](2.1)自動繪製運動機構驅動載荷曲線；
[0020]根據所定義的載荷工況，自動輸出在單一或疊加載荷工況下所需的驅動載荷大小，並自動繪製出驅動載荷曲線；
[0021](2.2)自動計算出運動機構各連接點的載荷；
[0022]根據所定義的載荷工況，自動計算出運動機構各連接點的合力及沿運動機構整體坐標系和所定義的局部坐標系下Χ、γ、ζ三個方向的載荷；
[0023](2.3)自動疊加運動機構多種載荷工況；
[0024]完成步驟(2.2)之後，進行兩種或多種載荷工況疊加分析，得到多種疊加載荷工況下的機構件內部載荷大小，載荷形式同步驟(2.2)；
[0025](2.4)自動提取運動機構所承受:的最大載荷；
[0026]自動提出疊加載荷工況下，各機構件所承受的最大載荷，根據各機構件的最大載荷，進行強度分析，並給出各機構件的設計尺寸範圍；
[0027]3)優化設計運動機構初始方案；
[0028]根據機構內部載荷傳遞路徑、載荷大小及運動件強度分析結果，重新評估運動機構的結構初步設計方案，經評估，若結構初步設計方案在運動機構的布局、驅動載荷、機構件強度、運動機構重量方面等具有優化空間，則返回步驟(1.1)，根據機構內部載荷傳遞路徑、載荷大小調整運動機構原理圖中相應連接點的位置，再進行從步驟(1.1)循環本方法，直至運動機構的設計達到最優化。
[0029]所述步驟(1.6)的具體過程如下:
[0030]①完成步驟(1.4)的運動機構連接點坐標的輸入，
[0031]②根據連接運動件兩端的坐標點，可以由下式確定機構件杆長，
[0032]d — -^(Χτ ~ Χχ)~+ ( Vt — Vj )~( I )
[0033]③根據運動機構在運動過程中機構件杆長不變，當連接運動機構件兩端的端點中一個端點為固定點時，根據下式可以得到運動機構在運動過程中的動點的坐標值，
[0034]動點與不動點與X軸的夾角角度:
[0035]0 = arctan(^~(2)

X1 -X2
[0036]動點的新坐標為:
[0037]X = Xj+dX cos ( Θ + β )(3)
[0038]Y = y1+dXsin( θ + β )(4)
[0039]其中β為動點繞不動點的旋轉角度。
[0040]④得到運動機構件各動點坐標後，自動得到運動機構各連接點的運動軌跡圖。
[0041]所述的(2.1)的具體過程如下:
[0042]①完成步驟(1.2)運動機構載荷工況定義，步驟(1.4)運動機構連接點坐標輸入，步驟(1.5)自動生成運動機構位置圖及步驟(1.6)自動建立運動機構各連接點運動軌跡圖；
[0043]②完成步驟(1.4)的運動機構連接點坐標的輸入，
[0044]③根據連接運動件兩端Al、Α2的坐標點，可以由下式確定Α1Α2連線的斜率及Α1Α2連線與Y軸的交點的Y值，

【權利要求】
1.一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於，步驟如下: 1)建立運動機構原理圖，確定運動機構的載荷工況，生成運動軌跡圖；具體為: (1.1)在運動機構參考坐標系下建立運動機構原理圖； (1.2)確定運動機構的載荷工況； 所述運動機構中的載荷工況，包括:運動機構自重、運動機構運動過程中所承受的風載、運動機構運動過程中發生卡滯、運動機構的運動驅動等； (1.3)根據運動機構中的載荷，建立局部坐標系；根據運動機構的整體坐標系及運動機構受載方向，定義分析所採用的局部坐標系，分析所採用的局部坐標系可以與運動機構整體坐標系一致，也可以與整體坐標系不一致； (1.4)運動機構連接點坐標輸入； 輸入運動機構各連接點及工況作用點在運動整體坐標系中的位置坐標； (1.5)自動生成運動機構位置圖； 在完成步驟(1.4)之後，自動生成運動機構位置圖；此時需要判斷生成的運動機構位置圖與結構設計的運動機構位置圖是否一致，若一致，則執行步驟(1.6)，若不符合設計要求，則返回步驟(1.4)檢查重新輸入運動機構連接點坐標； (1.6)自動建立運動機構各連接點運動軌跡圖； 在完成步驟(1.4)之後，自動生成運動機構運動過程中各連接點的運動軌跡圖；判斷生成的各連接點運動軌跡是否符合設計要求，若符合，則進行本方法的步驟(2.1)，若不符合設計要求，則返回步驟(1.4)檢查重新輸入運動機構連接點坐標； 2)提取運動機構載荷信息，自動繪製運動機構驅動載荷曲線，疊加運動機構多種載荷工況，並提取運動機構所承受:的最大載荷；具體為: (2.1)自動繪製運動機構驅動載荷曲線； 根據所定義的載荷工況，自動輸出運動機構在單一或疊加載荷工況下所需的驅動載荷大小，並自動繪製出驅動載荷曲線； (2.2)自動計算出運動機構各連接點的載荷； 根據所定義的載荷工況，自動計算出運動機構各連接點的合力及沿運動機構整體坐標系和所定義的局部坐標系下X、Y、Z三個方向的載荷； (2.3)自動疊加運動機構多種載荷工況； 完成步驟(2.2)之後，進行兩種或多種載荷工況疊加分析，得到多種疊加載荷工況下的機構件內部載荷大小，載荷形式同步驟(2.2)； (2.4)自動提取運動機構所承受:的最大載荷； 自動提出疊加載荷工況下，各機構件所承受的最大載荷，根據各機構件的最大載荷，進行強度分析，並給出各機構件的設計尺寸範圍； 3)優化設計運動機構初始方案； 根據機構內部載荷傳遞路徑、載荷大小及運動件強度分析結果，重新評估運動機構的結構初步設計方案，經評估，若結構初步設計方案在運動機構的布局、驅動載荷、機構件強度、運動機構重量方面等具有優化空間，則返回步驟(1.1)，根據機構內部載荷傳遞路徑、載荷大小調整運動機構原理圖中相應連接點的位置，再進行從步驟(1.1)循環本方法，直至運動機構的設計達到最優化。
2.根據權利要求1所述的一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於， 所述步驟(1.6)的具體過程如下: ①完成步驟(1.4)的運動機構連接點坐標的輸入， ②根據連接運動件兩端的坐標點，可以由下式確定機構件杆長， d ^slix2 -X1)2 +(v2 -1j⑴ ③根據運動機構在運動過程中機構件杆長不變，當連接運動機構件兩端的端點中一個端點為固定點時，根據下式可以得到運動機構在運動過程中的動點的坐標值， 動點與不動點與X軸的夾角角度: Θ - arctan(—~Z

Xl -.χ 2 動點的新坐標為: X = Xi+dX cos ( Θ + β )(3) Y = y^dX sin ( θ + β )(4) 其中β為動點繞不動點的旋轉角度。 ④得到運動機構件各動點坐標後，自動得到運動機構各連接點的運動軌跡圖。
3.根據權利要求1所述的一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於， 所述的(2.1)的具體過程如下:①完成步驟(1.2)運動機構載荷工況定義，步驟(1.4)運動機構連接點坐標輸入，步驟(1.5)自動生成運動機構位置圖及步驟(1.6)自動建立運動機構各連接點運動軌跡圖； ②根據連接運動件兩端Al、Α2的坐標點，可以由下式確定Α1Α2連線的斜率及Α1Α2連線與Y軸的交點的Y值，
k = yizh.X1-X2(5) b = yrk.X1(6) ③根據點到直線的垂直線最短的原理，根據下式可以得到經過B點且與A1A2垂直的直線斜率及經過B點且與A1A2垂直的直線與Y軸交點的Y值， k' = -~(7)
k h1 = y3_k'.χ3(8) ④求得直線y= k.x+b和y = k'.x+b'的交點坐標(x4, y4)。 ⑤通過下式計算得到B(x3, y3)到Al (X1, Y1)和A2 (x2, y2)連線的最短距離； d = (x3 -X4)2 + Cv3 -V4)2⑶ ⑥根據運動機構運動過程中力矩平衡原理，工具自動計算出運動機構在運動各時刻所需要的驅動力大小； ⑦根據計算出來的驅動力大小，自動得到運動機構完成運動所需的驅動力曲線。
4.根據權利要求1所述的一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於， 所述的(2.2)的具體過程如下:①完成步驟(1.2)運動機構載荷工況定義，步驟(1.4)運動機構連接點坐標輸入，步驟(1.5)自動生成運動機構位置圖及步驟(1.6)自動建立運動機構各連接點運動軌跡圖； ②根據運動機構運動過程中力矩平衡原理，工具自動計算出運動機構各機構件在運動各時刻所承受的載荷大小， ③根據計算出來的各機構件所承受的載荷大小，自動得到運動機構各機構件在運動過程中所承受的載荷大小。
5.根據權利要求1所述的一種快速提取運動機構內載荷並對設計方案進行優化的方法，其特徵在於， 所述的(2.4)的具體過程如下: ①完成步驟(2.2)的運動機構各連接點的載荷輸出，步驟(2.3)自動疊加運動機構多種載荷工況； ②根據得到的運動機構各連接點的載荷，自動得到運動機構各機構件在疊加載荷工況運動過程中所承受的最大載荷。
【文檔編號】G06F17/50GK104200013SQ201410408971
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】張偉, 呂國成, 賈大煒, 高衛亮 申請人:中航沈飛民用飛機有限責任公司