基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法

本发明属于整机优化设计，尤其涉及基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法。

背景技术：

1、轻量化是未来各行业发展的必然趋势。轻量化设计技术可以有效地减少材料的损耗，减轻装备的整机重量，还能提升整机结构性能与整机运行稳定性。目前，对大型整机结构的轻量化优化设计主要采用新材料技术和多学科综合优化技术，以实现设计时拟定的轻量化指标。但对于超精密机床这类设备，实现整机轻量化的同时，还需要保证其整体的刚度得到增强，并且其具备超高刚度才能满足加工时的精度和稳定性。而目前提高整机刚度的主要有如下四种：(1)设计合理的结构；(2)增加支撑；(3)选择合理的材料；(4)避免应力集中。而在整机早期设计阶段，综合考虑设计和制造成本、优化周期和效果，传统的cad/cae优化设计体系往往很难迅速匹配得到高刚度的结构设计方案和方法，难以指导功能部件选型及结构件设计优化的有效方法体系。而调整整机重心可以有效提升整机刚性，不仅能够缩短加工时间，改善轮廓精度，还能够显著提高加工面质量。但随着优化迭代次数增加，整机重心会偏离原始的理想位置。尽管经过较多次数地迭代优化后，最终也有可能获得满足设计要求的结构方案，但效果不佳，周期长、成本高。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：整机结构优化设计时未考虑重心，设计周期长、成本高，难以快速计算得到高刚度整机结构。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种方法简单、设计效率高的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法。

2、本发明是这样实现的，基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法，基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法包括：

3、s1，进行整机传统优化设计；

4、s2，进行整机重心估计；

5、s3，计算整机优化刚度；

6、s4，判断整机刚度阈值，若满足阈值，则完成整机结构设计方案；如不满足阈值，则调整整机局部厚度，转到s2重新开始。

7、本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计系统，基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计系统包括：

8、整机传统优化设计模块，用于进行整机传统优化设计；

9、整机中心估计模块，用于进行整机重心估计；

10、整机优化刚度计算模块，计算整机优化刚度；

11、整机刚度阈值判断模块，判断整机刚度阈值，若满足阈值，则完成整机结构设计方案；如不满足阈值，则调整整机局部结构厚度，返回步骤s2。

12、进一步，整机重心估计模块根据整机各零部件的重量gj及重心坐标[xj，yj，zj]进行整机重心[x0，y0，z0]估算，公式为：

13、

14、其中βi为各零部件的比例调整系数。

15、进一步，整机优化刚度计算模块根据整机重心坐标[x0，y0，z0]与理想重心位置[x，y，z]、整机内部连接的接触刚度强化范围(m1，m2)、整机与地面接触刚度强化范围(n1，n2)进行计算。

16、进一步，整机优化刚度计算模块中，最大整机优化刚度为：

17、cmax＝(a1*(x-x0)+b1(y-y0)+c1(z-z0))c0+m2+n2；

18、最小整机优化刚度为：

19、cmin＝(a1*(x-x0)+b1(y-y0)+c1(z-z0))c0+m1+n1；

20、其中，c0为理想的整机刚度，a1、b1、c1为刚度调整系数。

21、进一步，整机刚度阈值判断模块根据最大整机优化刚度cmax与目标整机优化刚度进行判断，若最大整机优化刚度cmax小于整机目标优化刚度，返回至整机传统优化设计模块对整机结构进行局部厚度的优化设计；

22、若最大整机优化刚度cmax大于整机目标优化刚度，最小整机优化刚度cmin小于整机目标优化刚度，以最大整机优化刚度cmax下的整机结构设计方案生成最终的整机结构设计方案。

23、若最大整机优化刚度cmax和最小整机优化刚度cmin均大于整机目标优化刚度，以最小整机优化刚度cmax下的整机结构设计方案生成最终的整机结构设计方案；

24、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法的步骤。

25、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法的步骤。

26、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计系统。

27、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

28、第一，本发明所制定的基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法，能根据整机系统的当前设计方案，通过各零部件的重量和重心实时估算整机重心，结合对整机内部接触刚度和整机与地面的接触刚度进行调节，计算接触刚度优化后的整机优化刚度值，以判断是否满足整机刚度阈值条件和是否进行整机结构再优化设计，从而避免整机处于长周期的cad/cae设计优化流程。

29、第二，本发明通过整机优化刚度与目标优化刚度相结合，以判断其是否需要进行结构局部厚度再设计，方法简单、效率高。

30、本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明利用接触刚度优化补偿与结构局部厚度再设计相结合的方案快速地调整整机结构设计方案，可用于任意复杂的整机装备，能节省大量的时间和经济成本。

31、第三，这种基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法是一种针对机械结构设计的方法，旨在提高整机的刚度，从而提升其性能和稳定性。以下是每个步骤的具体技术进步的解释：

32、s1，进行整机传统优化设计：

33、在这一步骤中，首先执行传统的机械结构优化设计。这可能包括使用计算机辅助设计软件进行建模和分析，使用有限元分析等方法来优化结构的外形、材料选择、连接方式等。这些传统的设计方法确保了基本的结构性能，为后续步骤提供了一个起点。

34、s2，进行整机重心估计：

35、这一步骤的目标是估计整机的重心位置。重心是物体平衡的中心，对于机械结构设计尤其重要，因为它影响到结构的稳定性和振动特性。通过计算机模拟或实验测量，可以得出整机在不同工作状态下的重心位置。

36、s3，计算整机优化刚度：

37、在这一步骤中，根据传统优化设计中得到的初始设计和重心位置估计，计算整机的刚度。刚度是指结构在受力时的抵抗变形的能力。通过有限元分析等方法，可以计算出整机在不同方向上的刚度，包括弯曲刚度、扭转刚度等。

38、s4，判断整机刚度阈值：

39、在这一步骤中，根据设计要求和应用需求，设定一个刚度阈值。这个阈值可以是基于设计规范、性能需求或者工作环境的限制。然后将计算得到的整机刚度与设定的阈值进行比较。如果整机刚度满足阈值要求，那么优化设计完成，可以进入下一阶段。如果不满足阈值要求，说明初始设计的刚度还不足以满足需求，需要进行进一步的优化。

40、该方法的显著技术进步包括：

41、1.重心化设计：引入重心位置估计作为设计流程的一部分，使得设计不仅仅关注结构的几何形状，还关注了重心位置对于结构稳定性和性能的影响。

42、2.动态优化：通过多次循环，在每次循环中根据刚度阈值判断进行优化，使得设计逐步趋近于满足要求的刚度，从而更好地兼顾性能和稳定性。

43、3.综合考虑：该方法将结构优化设计与刚度要求相结合，使得设计不仅仅关注一个特定的目标函数，而是在设计过程中综合考虑多个因素，如几何形状、材料选择、重心位置等。

44、4.循环优化：通过循环迭代的方式，允许设计在不满足刚度要求时反复进行调整，以达到更好的性能，这种方法可以更有效地逼近最优解。

45、综合这些技术进步，基于重心化设计的高刚性整机结构优化设计方法可以更全面地考虑机械结构的稳定性和性能需求，为工程师提供更合理的设计方案。