高速压力机闭式组合机身优化设计沈炜良金红陈玮广西大学，机械工程学院， 530004[ 摘要 ] 本文利用ANSYS软件对高速压力机闭式组合机身进行优化设计。
根据组合机身的特点建立了优化模型；利用灵敏度分析确定对目标函数和状态变量影响较大的设计变量，提高了优化效率；提出了7个优化方案并进行优化计算。
优化设计后，改善了高速压力机机身的动态特性，减小了机身质量，达到预期效果。
[ 关键词] ANSYS 压力机组合机身优化设计Design Optimization of High-Speed Close CombinedPress FrameShen Weiliang Jin Hong Chen WeiGuangxi University, School of Mechanical Engineering, 530004[ Abstract ] With using ANSYS, design optimization was developed to the high-speed close combined press frame in this paper. Based on the characteristics of combined frame, theoptimization model was built. Applying analysis of sensibility chose the design variables,which influence objective function and state variable strongly. So the optimizationefficiency was heightened. Seven optimization projects were calculated. After the designoptimization, the dynamic characteristics of the frame were improved and the quality ofthe frame was reduced. The anticipate effect was approached.[ Keyword ] ANSYS Press Combined Frame Design Optimization1 前言锻压机械在工业中占有极其重要的地位，锻压设备的水平，拥有量和构成比不仅对锻压生产起着关键作用，而且在一定程度上还标志着一个国家制造工业的技术水平。
高速压力机是锻压机械的新一代产品，由于它具有高效自动、高精度、高刚度的特点，得到越来越广泛的应用。
JA31G-30高速压力机是某厂研制开发的产品，公称压力300kN，标准行程次数600/400次/分。
为了检验其设计的合理性，探索设计的新思路，我们利用ANSYS有限元分析软件对该压力机机身进行了静动态有限元分析，并在此基础上对压力机机身进行优化设计。
本文介绍了高速压力机闭式组合机身的优化设计部分。
2.高速压力机闭式组合机身结构简介JA31G-30高速压力机机身为闭式组合机身中的一种特殊结构，其外形结构类似于C 型开式压力机。
整机结构如图1所示，它由底座、左右支撑板、工作台板、滑块、滑杆、传动箱、曲轴等主要零部件组成。
滑杆除起滑块的导向作用外，同时还兼作拉紧螺栓用。
其中工作台板以及左右支撑板通过螺钉和底座连接，左右支撑板支撑传动箱，滑杆是整个机身的连接件，将传动箱和工作台板通过锁紧螺母连接起来，从而将机身连接成为一个整体。
图 1 整机结构图3.高速压力机闭式组合机身优化设计高速压力机在冲击载荷的作用下，如果其固有频率与干扰力的频率相同时就会发生共振，使得机床变形过大，影响设备的寿命和加工精度，甚至导致事故发生。
传统的设计方法很难对设计结果进行预测，只有样机制造出来之后，对样机进行实测、校核才能知道，假如设计不理想，则要不断进行调整，一般设计周期较长。
我们在这里主要探索在设计阶段，对高速压力机闭式组合机身进行计算机仿真及优化设计，寻找既可以减轻其结构重量又能改变结构动态特性(这里指改变机身固有频率)的方法，为进一步改进产品的设计提供参考。
3.1优化模型的建立（一）目标函数将组合机身结构总质量最小作为目标函数。
结构的初始质量为1900kg 。
（二）性能约束对一阶频率进行约束，将下限值定为67.5Hz （即在原值61.41Hz 基础上增加约为10%），频率约束为：其中[Hz 。
],[11ωω≥5.67]1=ω（三）设计变量及约束在文献1中介绍了高速压力机的有限元分析，现在根据文献1建立的有限元模型初步选出20个参数作为设计变量，分别用x 1、x 2、x 3、…x 20 来表示。
各个参数的初始值和含义见表1。
表1 设计变量的基本情况设计变量x i 初值x i0参数意义 设计变量x i初值x i0参数意义 x 1 25 底座板厚 x 11 12 支撑板后侧板厚 x 2 60 底座撑板厚 x 12 12 支撑板中间板厚 x 3 105 底座前支撑板厚 x 13 20 支撑板前侧板厚 x 4 195 底座后支撑板厚 x 14 25 传动箱侧板厚 x 5 100 工作台底板厚 x 1535传动箱底板厚x 6 70 工作台板厚 x 16 110传动箱支座厚 x 7 40 滑杆中部半径 x 17 50 传动箱支座沉降 x 8 30 滑杆上、下端半径x 1815传动箱曲轴孔筋板厚x 9 25 滑杆中下端半径 x 19 5传动箱曲轴孔凸台高 x 1015支撑板下端板厚x 20 10底座侧面盖板厚设计变量x i 的约束范围定为:初值x i0上下变化5%。
写成初始优化设计数学模型为：求 x i ；i=1,2,……,nmin G=∑=ni ix f 1)( s.t[]11ωω≥ 0.95 x i0≤ x i0≤1.05 x i0经过迭代计算，目标函数收敛，机身一阶固有频率由61.41变到63.9Hz ，提高4.05％；机身质量由1900kg 降至1884.5kg ，减少了15.5kg 。
有一定效果但 不够理想。
3.2灵敏度分析由于初始优化设计模型中设计变量比较多，设计变量的约束范围较小，优化效率也不高，导致优化结果并不理想。
利用灵敏度分析来确定优化目标和状态变量中影响较大的设计变量，可以提高优化效率。
本文利用ANSYS 优化工具中的最优梯度法来计算目标函数和状态变量对每个设计变量的梯度（即灵敏度）S M 和S F 。
经过对所有设计变量的灵敏度分析以后，得出设计变量的灵敏度比值S F /S M 图（图2）。
图2 设计变量的S F/S M值3.3优化模型的修改和计算在初始优化模型的基础上，改变优化模型的参数，提出了以下七个优化方案，并分别进行计算。
3.3.1优化方案一及优化结果经过对所有设计变量的灵敏度分析以后，比较各个设计变量的S F/S M的大小，选择S F/S M 绝对值较高的十个参数(x1 ,x2, x3, x4, x5, x6,x7, x14, x15, x16)作为优化模型的设计变量。
由于设计变量的个数有所减少，在此放宽对设计变量的约束，把设计变量的边界约束范围定为10％，设计变量的有关情况见表2。
以结构总质量最小为目标函数。
一阶频率的下限定为67.5Hz。
机身一阶频率变化历程曲线图和整体质量随迭代次数变化历程曲线图如图3所示。
由一阶频率和目标函数的变化图可知，经过十次迭代以后，一阶频率达到了69.713Hz，目标函数达到了1794.3Kg。
与初始模型相比，一阶频率增加了13.52％，机身质量减少了105.7kg。
表2 方案一设计变量的基本情况设计变量初始值下限值上限值优化结果设计变量初始值下限值上限值优化结果x1 25 22.5 27.5 22.542 x6 70 63 77 63.357 x2 60 54 66 54.561 x7 40 36 44 42.569 x3 105 94 115.5 103.21 x14 25 22.5 27.5 22.589 x4 195 175.5 214.5 203.54 x15 35 31.5 38.5 35.635 x5 100 90 110 90.299 x16 110 99 121 99.143图3 一阶频率和目标函数历程（方案一）3.3.2优化方案二至七及优化结果因篇幅关系，优化方案二至七的详细内容不在此一一介绍了。
初始优化方案和优化方案一至七的优化模型内容、计算结果列表表示（见表3）。
表3 优化方案比较优化方案模型内容优化结果初始优化模型目标函数为结构总质量最小，一阶频率约束下限是67.5Hz，设计变量有20个，几何约束范围5％一阶频率增加4.05％质量减少15.5kg优化方案一目标函数、一阶频率约束与初始模型相同，设计变量为S F/S M绝对值较高的10个，几何约束范围10％一阶频率增13.52％质量减少105.7kg优化方案二目标函数、一阶频率约束、设计变量及其个数与方案一相同，几何约束范围20％一阶频率增加14.57% 质量减少4kg优化方案三目标函数、一阶频率约束、设计变量及其个数与方案一相同，几何约束范围30％一阶频率增加17.47% 质量减少23kg优化方案四目标函数、几何约束、设计变量及其个数与方案三相同，一阶频率下限为73.5Hz 一阶频率增加19.78% 质量减少45kg优化方案五目标函数、几何约束、设计变量及其个数与方案三相同，一阶频率下限为79.8Hz 一阶频率和质量与模型四比较几乎不变优化方案六目标函数、几何约束和一阶频率约束与方案四相同，设计变量为S F/S M绝对值为负值及S F较高的10个一阶频率增加21.91% 质量减少21kg优化方案七目标函数、一阶频率约束与方案四相同，设计变量为S F/S M绝对值较高的15个，几何约束范围10％一阶频率增加17% 质量减少5kg4.七个优化方案的比较分析从优化方案一到优化方案三，目标函数、一阶频率约束、设计变量及其个数没有改变，设计变量的几何约束范围在不断增大。
从优化结果来看，一阶频率不断增大，增大的幅度比较明显，质量减小的量在逐步减小。
说明所选择的十个设计变量的S F值与其余设计变量相比较大，而S M相比较小。
还可以看出设计变量的几何约束范围对目标函数影响较大，一般来说，设计变量的几何约束范围越大，目标函数和一阶频率越容易达到理想值，但约束范围太大，工程上改变起来比较困难，几何约束应该取适当的大小。
比较优化方案三和优化方案四可以看出，一阶频率约束的下限的改变使一阶频率有所增加。
比较优化方案四和优化方案五，一阶频率的改变并没有引起质量和一阶频率的变化。
