基于ISIGHT的机床主轴结构优化

基于ISIGHT的车体结构优化分析Body Structures Optimization Analysis By Isight高岩蔡华国周定陆长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院CAE所摘要：基于参数化建模工具、网格变形技术，应用Isight平台进行优化分析，对车体结构的性能进行优化。

关键词：参数化；网格变形；优化Abstract: Body structures optimization analysis, Which based on the tool of build parameter model or technology of morph, Optimize analysis control by isight.Key words: parameter; morph; optimize1引言设计变量、目标和约束条件是优化设计的三要素。

Isight作为一款循环控制的优化平台，自动化驱动工作流程，不断迭代，让工程师更专注与专业技术，自动化流程大大缩短设计周期。

Isight优化平台已经广泛的应用于汽车设计的CAE分析优化，如CFD优化分析、油耗优化分析等。

但是由于Isight是以改变设计参数作为变量的优化控制平台，而汽车结构有限元计算的参数数量巨大，不易直接改变，可明显改变的只有料厚、材料等信息，对于节点的位置优化由于数量巨大且难以控制，一直是从事车体结构分析人员想解决的一个难题。

随着CAE技术的发展，越来越多的软件公司已经注意到车体结构方面拓扑优化的这个瓶颈问题，所以对越来越多的参数化建模工具，网格变形技术软件进行了研发。

基于这些软件，使利用这些软件进行参数设置从而控制车体结构的拓扑结构，利用Isight优化平台调用有限元分析软件进行车体结构优化的过程成为可能。

进一步推动CAE驱动设计，使CAE在概念设计阶段发挥更大的作用。

2建立参数（设计变量）2.1拓扑结构变化参数2.1.1参数化建模工具利用参数化建模软件，对下车体进行参数化建模，用参数化的下车体模型与非参数化的上车体模型耦合，形成分析用的模型，参数化模型的各个参数可以作为设计变量，进行优化分析图1 某车型下车体参数化模型2.1.2网格变形技术利用网格变形软件，录制网格变形路径为参数，此参数作为设计变量，进行优化分析图2 某车型网格变形参数设置模型2.2 料厚优化参数以可变零件的料厚为设计变量，进行参数化设置3分析流程对参考车进行基础分析，根据分析结果设定目标值；对参考车进行参数化建模，进行结构拓扑优化灵敏度分析，选择合适的参数进行优化分析；同时对参考车进行料厚优化的灵敏度分析，选择合适的参数参与料厚优化分析。

基于iSIGHT平台的主轴箱多目标优化设计
魏锋涛;宋俐;李言
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2015(000)007
【摘要】针对工程实际中复杂的多目标优化设计问题,常遇到性能目标与设计变量之间不具有显式的函数关系式,难以直接运用优化方法进行设计计算,因此提出基于iSIGHT平台的多目标集成优化设计方法.以主轴箱多目标优化设计问题为例,在iSIGHT平台上集成ANSYS软件并进行建模和分析,采用响应面法构建近似模型,利用邻域培植遗传算法获得多目标优化问题的Pareto最优解集,根据工程实际的不同需求,从中选出最合适的优化方案.
【总页数】5页(P97-101)
【作者】魏锋涛;宋俐;李言
【作者单位】西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048;西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
【相关文献】
1.基于ANSYS和iSIGHT的伸缩布料机多目标优化设计 [J], 陈文琛;宋远卓;金龙;王曾兰;杨悬
2.基于Isight平台DOE方法的并联机构多目标优化设计 [J], 杜岩锦;郭宗和;李泽众
3.基于Isight的卧式加工中心立柱多目标优化设计 [J], 李威; 黄晓华; 邢炜烽; 赵吉庆; 李坤鹏
4.基于ISIGHT的印制电子喷印机工作台多目标优化设计 [J], 陈龙龙;周临震;殷亮
5.基于Isight平台的蜗壳式混流泵多目标优化设计 [J], 杨敬江;何松;李先军
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基于Isight的径向磁悬浮轴承结构优化设计
周瑾;高天宇;董继勇;陈怡;高素美
【期刊名称】《轴承》
【年(卷),期】2018(000)007
【摘要】以卧螺离心机用磁悬浮轴承为研究对象,将励磁绕组骨架装配体加入磁轴承定子模型,讨论骨架在磁轴承定子中的2种装配形式.通过优化集成平台Isight集成UG和ANSYS,研究磁悬浮轴承各结构参数对支承性能的影响以及线圈骨架的存在对磁轴承几何参数的影响.以电磁力最大为目标,对磁悬浮轴承进行结构优化,结果表明,磁轴承承载力和励磁磁势利用率较原先提升了11.88％,取得了良好的优化效果.
【总页数】6页(P6-11)
【作者】周瑾;高天宇;董继勇;陈怡;高素美
【作者单位】南京航空航天大学机电学院,南京 210016;南京航空航天大学机电学院,南京 210016;南京磁谷科技有限公司,南京 211102;南京航空航天大学机电学院,南京 210016;金陵科技学院,南京 211169
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.31;O241.82
【相关文献】
1.基于遗传算法的电磁径向轴承结构的优化设计 [J], 孙丙勇
2.基于iSIGHT的磁悬浮反作用飞轮优化设计 [J], 叶全红;李红;韩邦成
3.飞轮储能用径向磁悬浮轴承结构优化设计 [J], 王晓远;张德政;高鹏;王谊
4.基于ANSYS和iSIGHT的磁悬浮轴承结构优化设计 [J], 肖林京;张绪帅;常龙;郭海
5.基于COMSOL和iSIGHT的磁悬浮轴承优化设计 [J], 张骅毅;范启富
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基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化牛文铁;田建伟;王俊强【摘要】Schematic design of structure plays a key role in machine tool design.To realize the performance optimiza-tion of whole machine and structural components in the early design stage can avoid repetition rate in subsequent de-tailed design and structural modification,and therefore improve design efficiency.Based on multidisciplinary opti-mization software iSIGHT,the framework of schematic design and integrated optimization system for machine tool was constructed,through which the knowledge of parametric modeling and simulation was effectively inte-grated.Experimental design,response surface methodology(RSM)and multi-objective optimization algorithm were applied synthetically to optimize the whole machine structure and structural components.An optimizing technical process with static & dynamic characteristics and massas the goal was formed which took the key structure design parameters as variables.Schematic design and optimization of a horizontal machining center with a box-in-box archi-tecture were conducted to verify the proposed method.The results show that the maximum deformation of machine tool is reduced by 3.24%,,the relative deformation between the workpiece and the cutter is reduced by 5.68%,and the first natural frequency is increased by 1.15%, while the overall mass of machine tool is reduced by 6.38%,.%机床整机结构方案设计是机床设计的关键环节．在早期设计阶段，实现整机及基础大件性能优化可显著减少后续详细设计的重复率，提高设计效率．基于多学科优化设计软件 iSIGHT，搭建了机床整机结构方案设计及集成优化系统框架，有效集成参数化建模知识、仿真分析知识；综合利用实验设计、响应面拟合及多目标优化算法，形成了以结构件关键设计参数为变量、静动态特性及质量为目标的优化技术流程．以某框中框结构卧式加工中心为例，优化后整机质量下降6.38%,，整机最大变形降低3.24%,，工件-刀具相对变形降低5.68%,，首阶固有频率提高1.15%,．优化结果验证了所提出方法的可行性．【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2016(049)002【总页数】8页(P120-127)【关键词】机床整机结构;方案设计;结构优化;iSIGHT【作者】牛文铁;田建伟;王俊强【作者单位】天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室，天津 300072;天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室，天津 300072;天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室，天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TH122机床结构设计主要涉及外形结构设计和内部筋板设计，不同结构对机床静动态性能的影响显著．在早期方案设计阶段，通过设计优化手段获得较好的机床结构，可有效减少后期详细结构设计阶段的反复，提高设计效率．然而，目前优化方法主要应用于详细结构设计阶段的尺寸优化，很少被用于机床结构方案设计阶段[1]，因此机床结构方案设计和优化方法的研究有较高的工程价值．随着计算机技术的发展，结构设计、分析和优化集成已经被应用于产品方案设计阶段以提高产品设计效率，减少设计的重复性[2]．Park等[3]提出了一种基于知识的机床集成设计系统，实现了机床结构快速设计及自动化有限元分析，但是该系统未考虑机床结构优化问题．卢健钊等[4]研究了基于iSIGHT的机床结构CAD/CAE集成优化方法，并对机床滑座几何尺寸参数进行了优化．张巍等[5]基于iSIGHT和ANSYS对机床主轴结构尺寸进行优化.但上述两项工作是在已有的详细结构模型基础上完成的，且未考虑结构方案设计阶段的优化问题．本文提出了基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化方法．在多学科优化设计软件iSIGHT环境中，集成Pro/E参数化建模功能和ANSYS有限元分析功能，搭建面向机床结构方案设计的集成优化设计系统框架；在机床整机定型设计完成后，通过调用整机拓扑结构模型、标准件模型及结构件参数化模型，快速生成整机结构设计方案；基于Pro/E Trail及ANSYS APDL技术，实现CAD/CAE集成，并基于此开展整机静动态性能快速预估；综合利用实验设计、响应面法及NSGA-Ⅱ优化算法，以静动态性能为指标，实现结构件参数优化．以框中框结构机床为例，验证了所提出方法的有效性及可行性．在机床整机结构初始设计阶段应用该方法，可得到静动态性能近优的整机结构设计方案，并有效提高设计效率，缩短设计周期．iSIGHT是一个通过软件协同驱动产品设计优化的软件，它的功能可以概括为集成设计优化过程自动化[6]．实现优化过程自动化的关键是通过批处理模式实现CAD 模型参数化驱动重建和有限元分析[7]．笔者结合数控机床整机与基础大件结构优化的技术需求，搭建了基于iSIGHT的机床整机结构方案设计与集成优化系统框架，如图1所示．首先，基于构建的知识库/数据库完成机床结构方案设计；其次，在iSIGHT集成环境下，构建集成所需要的CAD参数化模型模板、CAE有限元分析模板和运行CAD、CAE软件的批处理文件，以实现系统框架自动建模分析．1.1 整机结构方案设计模块构建支撑设计的知识库/数据库，包括机床拓扑结构、标准件及结构件参数化模型库．基于上述知识库/数据库，通过交互式操作，完成拓扑结构、标准件选型，初步确定整机及支撑结构件参数，输出整机结构设计方案．1.2 基于iSIGHT的集成优化系统框架1.2.1 Pro/E参数化模型模板首先，基于Pro/Program的参数化造型功能，建立典型拓扑结构机床及其结构件参数化模型；基于Pro/E提供的Trail文件，建立整机及结构件参数化模型模板．该模板可有效集成建模知识，同时利用该模板，可有效实现Pro/E与iSIGHT 集成．1.2.2 基于APDL的有限元建模与分析模板基于ANSYS参数化设计语言APDL，建立有限元分析模板．基于上述模板，集成仿真分析知识，同时自动实现整机/结构件的几何模型导入、材料属性添加、网格划分、接合面处理、载荷约束施加、动静态性能分析、分析结果提取等一系列操作．1.2.3 基于iSIGHT的CAD/CAE集成通过iSIGHT运行Pro/E批处理文件(Pro/E．bat)并读取Trail文件，实现iSIGHT 与Pro/E之间的参数传递、Pro/E模型参数化驱动及重建．通过iSIGHT运行ANSYS批处理文件(ANSYS．bat)，ANSYS运行APDL命令流文件，实现iSIGHT与ANSYS分析结果数据传递．本文在多学科优化设计软件iSIGHT环境下，综合应用Pro/E参数化建模和ANSYS有限元分析功能，实现了CAD/CAE的集成和自动建模分析．优化设计方法采用了实验设计、响应面拟合及响应值多目标遗传算法优化等步骤．2.1 实验设计及响应面建模最优拉丁超立方法设计改进了随机拉丁超立方法设计的均匀性，使因素和响应的拟合更加精确真实，从而保证构建的近似模型在整个设计空间的近似精度[8]．响应面法能够很好地解决在多个设计变量同时作用下目标的优化问题[9]，二阶响应面模型为式中：Y为目标函数；a0为响应函数中的常数模型；xi为设计变量；ai为线性部分系数；aii为平方部分系数；aij为线性相互影响部分系数；k为设计变量数目；ε为构建响应面模型中的统计学误差．本文利用最优拉丁超立方法和二阶响应面模型模拟机床静动态性能响应变化问题．用复相关系数R2来检验响应面模型是否满足精度要求[10]．R2是介于[0，1]之间的值，R2值越接近1，表明模型的拟合精度越高，可信度越大．2.2 优化设计流程图2为机床结构方案优化设计流程．首先建立整机结构参数化CAD模型，确定优化设计目标、设计变量及其设计空间；其次利用最优拉丁超立方法进行实验设计，得到实验样本点集；然后基于iSIGHT集成优化系统框架计算各目标响应值；通过分析设计变量和系统响应之间的函数关系建立设计目标的二阶响应面模型；最后，利用多目标优化算法进行求解.多目标优化算法分为间接法和直接法．间接法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，如归一化加权方法，但难以处理Pareto前沿凹部的缺点[11]．直接法则利用优化算法直接求出非劣解，如NSGA-Ⅱ算法[12]是目前最有效的多目标演化方法之一．综上，本文采用NSGA-Ⅱ算法对设计目标进行寻优求解．3.1 整机结构方案设计图3为应用所构建的机床整机结构设计及集成优化系统完成的某框中框结构卧式加工中心方案设计．其中，滑台由z方向导轨丝杠与床身连接实现z方向进给；溜板由x方向导轨丝杠与立柱连接实现x方向进给；主轴箱由y方向导轨丝杠连接溜板实现y方向进给．以图3所示的卧式加工中心结构方案为例，首先分别优化各基础大件，再将优化后的结构装配为整机进行分析，验证所提出方法的可行性．以下以床身结构优化为具体实例，阐述主要优化流程．3.2 床身结构优化3.2.1 设计变量与设计目标的确定图4(a)为床身结构设计方案，主要参数包括：床身长L1、L2，宽W1、W2，床身高H，床身壁厚T．内部筋板采用十字筋布置，如图4(b)和图4(c)所示．为方便叙述，将横向筋板划分为床头及床尾2个区域，纵筋划分为A、B、C 3个区域．筋板参数包括：床头横筋数量x1、厚度y1，床尾横筋数量x2、厚度y2；A区纵筋数量x3、厚度y3，B区纵筋数量x4、厚度y4，C区纵筋数量x5、厚度y5．外形尺寸W1、W2、L1、L2由用户依据设计需求(工作行程、工件大小等)确定，因此不作为优化变量．考虑到床身承载及导轨变形等因素，床头轮廓筋板及导轨支撑筋板由设计经验给出，本文不将其作为优化变量．床身是机床的重要基础件，要求其具有良好的静动态特性，以便保证机床的加工精度及稳定性，同时考虑轻量化需求，因此选取导轨安装面平均变形D1、立柱安装面平均变形D2、床身首阶固有频率f1和质量m为设计目标．3.2.2 实验设计与2阶响应面拟合考虑企业实际铸造能力及结构件筋板设计原则，一般壁厚为30～50,mm，筋板厚度不小于20,mm，且不大于壁厚，筋板间距不小于150,mm．依据上述原则，构建变量的设计空间如表1所示．应用优化拉丁超立方法构造变量样本点空间，床身结构包含12个设计变量，对于完全2次多项式响应面模型，涉及到91个待定系数(p)．一般认为样本点个数在(2p＋1)～(5p＋1)时模型具有较好的回归特性[13]．综合考虑计算效率，设定实验样本点为200个，利用基于iSIGHT的优化系统框架计算每组实验点响应值，结果如表2所示．根据实验设计结果分别构造设计目标D1、D2、f1和m的2阶响应面模型，图5为各响应面模型拟合误差曲线，可知各目标响应面模型满足精度要求．3.2.3 基于NSGA-Ⅱ的多目标优化基于上述响应面模型，以床身12个结构尺寸为设计变量，床身多目标优化设计数学模型为式中分别为床身高度上、下限约束值；分别为床身壁厚上、下限约束值分别为筋板数量上、下限约束值分别为筋板厚度上、下限约束值．在响应面模型基础上，选择NSGA-Ⅱ算法对床身结构进行优化．设定种群数为20个，遗传代数为12代，交叉变异率为0.9，最终所得的Pareto最优解集如图6所示．4个目标函数之间存在相互制约关系，即床身轻量化是以频率降低和变形增大为代价，高频率和小变形是以床身质量增加为代价．3.2.4 床身结构优化结果结合图6所示的Pareto最优解集，兼顾设计需求，结构件变形、首阶固有频率及质量之间相互制约关系，选择可行解．可行解的选择如表3所示，导轨安装面平均变形由5.536,µm降至5.148,µm，降幅7％,；立柱安装面平均变形由6.493,µm降至6.167,µm，降幅5.02％,；床身首阶固有频率由134.528,Hz增加至145.233,Hz，增幅7.96％,；床身质量由14,284.18,kg降至12,626.17,kg，降幅11.6％,，优化效果明显．3.3 其他结构件优化其他结构件优化方法与床身类似，此处不再赘述，优化结果如表4所示．优化结果表明各结构件质量降低的同时，动静态性能均有所提高．全部结构件优化完成后，以整机静动态性能进行验证，仿真结果如图7和图8所示．整机优化结果如表5所示，优化前后整机质量由36,822.45,kg降至34,473.09,kg，降幅6.38％,；整机最大变形由46.3,µm降至44.8,µm，降幅3.24％,；工件-刀具相对变形由46.87,µm降至44.21,µm，降幅5.68％,；首阶固有频率由35.234,Hz增加至35.639,Hz，增幅1.15％,，振型均为立柱前后摆动．本文在多学科优化设计软件iSIGHT环境下集成Pro/E和ANSYS，搭建了机床整机结构方案设计及集成优化系统框架，实现了设计优化的自动化．综合利用实验设计、响应面拟合和NSGA-Ⅱ优化算法，提出了一种基于iSIGHT的机床整机结构方案设计和集成优化方法．以某框中框结构卧式加工中心为例，优化后整机质量下降6.38％,，整机最大变形降低3.24％,，工件-刀具相对变形降低5.68％,，首阶固有频率提高1.15％,．实例结果验证了所提出方法的正确性及可行性．【相关文献】［1］Wu B C，Young G S，Huang T Y. 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Mechanical & Electrical Engineering Technology，2011，40(2)：16-17(in Chinese).［6］褆李金从，邓家. 多学科优化集成设计框架[J]. 现代制造工程，2003(3)：77-79. Li Jincong，Deng Jiati. Multidisciplinary optimization integrated design frame[J]. Modern Manufacturing Engineering，2003(3)：77-79(in Chinese).［7］Xu B，Chen N. An integrated method of CAD，CAE and multi-objective optimization[C]//Proceedings of the 2009 IEEE 10th International Conference on Computer-Aided Industrial Design & Conceptual Design. Wenzhou，China，2009：1010-1014.［8］Park J S. Optimal Latin-hypercube designs for computer experiments[J]. Journal of Statistical Planning & Inference，1994，39(94)：95-111.［9］陈叶林. 机床床身结构优化设计方法[J]. 机械设计，2010，27(8)：65-68. Chen Yelin. Study on optimizing design method of machine tool bed structure[J]. Journal of Machine Design，2010，27(8)：65-68(in Chinese).［10］Park H S，Dang X P. Structural optimization based on CAD-CAE integration and metamodeling techniques[J]. Computer-Aided Design，2010，42(10)：889-902.［11］赖宇阳. Isight参数优化理论与实例详解[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2012. Lai Yuyang. Parameters Optimization Theory and Detailed Examples of Isight[M]. Beijing：Beihang University Press，2012(in Chinese).［12］Deb K，Pratap A，Agarwal S，et al. A fast and elitist multi-objective genetic algorithm：NSGA-Ⅱ[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2002，6(2)：182-197.［13］张成成. 基于响应面的结构抗疲劳优化设计方法[D].南京：南京航空航天大学航空宇航学院，2007. Zhang Chengcheng. Method of Anti-Fatigue Optimum Design Based on Response Surface Model[D]. Nanjing：College of Aeronautics and Astronautics，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007(in Chinese).。