基于有限元的贴片机横梁结构优化设计

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Optimization Design of Beam of Placement M achine Based on FEn 。

ZHANG Chang-jun，SUN Jie，YU Shuang，ZANG Wen-shi(School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China)Abstract：The placement machine is a high·speed，high·precision electronic placement equipment，its beam is a key component。

Based on the finite element analysis software ANSYS and through parametric modeling and modal analysis，this paper uses optimaldesign theery.on the basis 0f obtained optimal beam cross section parameters to optimize the design of the placement machine Sbeam.By contrast to the original design，this design can nat only ensure the beam good dynamic performance，but also reduce thebeam weight significantly。

Key words：placement machine；FEM；beam structure；optimization design对贴片机设计来讲，横梁是设计 的关键部件 ，其质量、强度、动力学特性以及抗震能力都影响着贴片机的贴装速度与精度。横梁有多种结构形式，这与贴片机的传动结构形式有关 。由于横梁所起的关键作用，仅仅依靠传统的经验设计和静力校核无法获得 良好的动态品质，这就要求从动态特性的角度对横梁进行 优化设计。贴片机工作时横梁承载了其复杂的载荷 ，基于有限元的模态分析可以确定结构的固有频率和振型，从而可以获知各种 载荷作用下产生的实际振动响应。本文基于有限元模态分析，在求出横梁优化设计截面参数的基础上，对贴片机横梁进行优化设计。贴片机虚拟样机结构如图 1所示。

图 1 贴片机虚拟样机结构1 ANSYS软件优化设计介绍ANSYS提供 了两类优化方法：零 阶方法 和- 阶方法 。零阶方法属于直接法，它通过调整设计变量 的数值，采用曲线拟合的方法去逼近状态变量和 目标函数，可以有效的对大多数工程问题进行处理。-阶方法为间接法 ，是基于 目标函数对设计变量的敏感程度的方法。在每次迭代中，根据计算梯度确定搜索方向。由于其每次迭代中都要产生-系列的子迭代，所以占用时间较多，但是有比较高的计算精度，适用于精确的优化分析。ANSYS软件提供了-系列的分析-评估-修正的循环过程，通过对初始设计进行分析 ，对分析结果进行评估，然后更改设计 ，并且这-循环重复进行直到完成优化设计。

2 优化设计理论基础优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象3 J。在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计的问题就可以用-般数学形式表示。

求设计变量向量 [ 。， ，，%] 使，( )-min且满足约束条件：h( )0(k1，2 ，Z)g，( )≤0( 1，2 ，m)在ANSYS优化程序中，设计变量(design variables)为自作者简介：张长军(1987-)，男，山东曹县人，硕士研究生，研究方向是机械制造自动化与机电系统控制技术。

Machine Building 8 Automation，Jun 2013，42(3)：101～103，126 ·101·· 信息技术 · 张长军，等 ·基于有限元的贴片机横梁结构优化设计变量，通过改变自变量的数值来实现结果的优化。每个设计变量通过上下限来确定其变化范围。-般可以定义 6o个设计变量，但最好不要超过 10-20个设计变量，因为太多的设计变量，就很容易收敛于-个局部最小值 J。

状态变量 (state variables)是约束条件 的数值。他们是设计变量的函数，是因变量。状态变量-般可以有上下限或者单方面限制 ，以确定其变化范围。-般可以定义不超过 100个的状态变量。

目标函数(objective function)是设计要达到的尽量减小的目标值，是设计变量的函数。如果要尽量增大，那目标函数可以通过倒数或加负号确定。目标函数只设置-个。

3 参数化建模及分析3.1 建模及模态分析1)参数化建模在 ANSYS软件中对贴片机横梁进行原始设计，首先参数化建模 ，然后设置局部变量，设置参数A0.12 m，B0.1 m，C：0.02 m，D0.02 m，E0.08 m，F0.08 m，1.197 m，因此，横梁体积可表示为。

图2 横梁截面参数2)定义单元类型和材料属性设置单元属性为 20solid95，solid95是三维 加 节点结构实体单元，由20个节点定义，每个节点有三个 自由度，允许沿节点坐标系 ，Y，z方向的平动。

贴片机 横梁材料选 择 45号 钢，杨 氏模 量为：E2.0%11 Pa， 白松比： 0.269，密度为：7 850ks/m 。

利用 MeshTool，激活 Smart Size，设定 smart size为 3，采取 自由划分网格方式 ，可以得到较好网格密度。

贴片机横梁加载的载荷类型包括 DOF约束、集中载荷、惯性载荷、初始条件和边界条件。横梁底面的两端将与贴片机直线导轨接触，将受到滑动摩擦力和导轨的垂直向上的支撑力等外力，可以把这些外力载荷简化为横梁底端的两条断线 J，在 ANSYS中设置其 自由度约束为 ALLDOF0· l02 ·约束条件设置完成以后，进行求解，求解完成后 ，可以查看原始设计横梁的 1～6阶振型云图如图3所示图3 原始设计横梁 1～6阶振型云图3.2 优化设计数学模型1)确定优化设计变量要完成贴片机横梁的优化设计，目的是在满足条件的情况下 ，尽量减嗅梁的质量。由于选择材料的同质性 ，而质量和横梁体积有密切关系 ，所以本文要对横梁体积进行优化。要使体积最小，在长度-定 的条件下，设计合理的横截面尺寸，应使横梁的横截面积最校与横截面积相关的设计变量有参数 A，B，C，D，根据直线导轨的安装尺寸和其他条件限制，对设计变量做如下的约束 ：0.09 m

维修方案和排除步骤是在专家诊断并确定故障原因后，提供的给维修人员的维修方案和维修操作步骤。

维修方案数据的存储方式与故障数据存储方式相似，也是采用单向链表的形式，不再赘述。

3 系统设计中的关键技术3.1 故障层次结构数据库与检索方案的设计由于新型工程机械的结构与工作原理的复杂性，在设计故障信息数据库时面临极大的困难。实际工程应用中，同-故障现象，可能由多种原因引起，而每种故障原因又可能由不同的零部件引起。同-零部件又会产生多种故障原因。因此，故障零部件、系统、故障原因、故障现象等元素之间的关系错综复杂，再加上领域专家的相关的经验知识，这些元素在数据库的存储时很难处理。在设计数据库时，合理的融合了链表式结构与层次化结构，构建了故障现象、故障原因和故障分析过程数据表 ，满足了专家推理的需求和程序的高效运行的要求。

3.2 工作原理、结构、检修、分解、装配与调整数据信息高效存储与显示每-个新型工程机械，其组成零部件至少上万，考虑到其检修、分解 、装配与调整等信息数据，其数据量几乎是海量的。如何存储这些数据，并恰当地显示出来，这是-个巨大的挑战。经过对当前所能见到的帮助系统和工程装备信息化管理手段进行仔细分析和比较。应用了 Word文档格式转换为 Html格式，将相应 的主题信息存储到SQL Server数据库中，开发了编译软件，对转换后的 html文件和数据库进行编译链接，较好地处理了数据库信息检索、html文档数据存储和可执行文件数据查询三者联合作用的工作原理等数据存储与显示模式。程序执行效果与人机界面都是比较优秀的。

4 结论新型工程机械故障专家诊断系统在研制开发过程中，认真贯彻了有关设计标准 、规范 ，主要性能指标满足了规定的技术指标要求。所采用的嵌入式工业级移动数据终端、嵌入式数据库技术、面向对象软件开发技术和数据库技术等，具有先进、成熟、可靠等优点。系统的开发设计充分贯彻了拈化、-体化、结构化、面向对象和面向应用的设计思想，使系统的软件稳定 、可靠 ，达到了使用要求。