摘要：本文介紹以SolidWorks為平臺，以參數化技術為基礎，建立基于知識的軋輥磨床中心架的三維設計庫，從而實現了軋輥磨床中心架的自動系列化設計，簡化設計過程。并采用完全集成的COSMOSWorks有限元分析軟件對中心架的關鍵參數進行了優化，提高了產品質量。并對后期工作提出了展望。
關鍵詞：軋輥磨床 中心架 知識重用 優化SolidWorks COSMOSWorks

1、 軋輥磨床中心架的虛擬設計
隨著軋鋼行業的發展，軋輥的種類、規格越來越多。對于軋輥進行精加工的軋輥磨床其規格、品種也相應增多，（軋輥重量大，可達幾十噸。為提高加工質量，一般在軋輥磨床上使用的中心架支撐工件。）中心架也就品種繁多。雖然結構大同小異，但是設計的工作量很大。簡化設計過程，優化設計，是設計人員迫切希望解決的問題。

我們以SolidWorks為平臺，以參數化技術為基礎，對各種不同規格的中心架，建立統一的三維模型庫，簡化了設計過程。在此基礎上再配合與SolidWorks軟件集成的COSMOSWorks有限元分析組件對中心架的一些關鍵數據進行優化，從而提高了中心架的承載能力，有望顯著提高軋輥的加工質量。

基于參數化技術的造型系統實質上就是一種尺寸驅動系統。這種尺寸驅動系統的驅動尺寸只可能是少數幾種，所以需要對除驅動尺寸之外的其他尺寸進行關聯，簡化。我們采用水平支承軸與水平方向的夾角、垂直支承軸與垂直方向的夾角這二個參數作為驅動尺寸進行建模，而對其他一些尺寸，參照剛性最優的原則進行相應的關聯。

圖1 工作臺移動式軋輥磨床用中心架  圖2 砂輪架移動式軋輥磨床用中心架

2、 基于知識重用的產品數據庫開發

采用SolidWorks強大的配置功能，基于產品模型的參數化設計，可以采用一套模型實現多種不同規格產品的設計。由于SolidWorks軟件中的系列零件設計表與配置呈相互映射的關系，所以通過修改系列零件設計表可以進一步擴展產品的規格，以適應用戶的需要。從而建立集成于設計對象的產品設計的多類型、多層次知識表達模型，達到了產品設計的知識重用。

基于知識重用的設計體系，稱為設計重用。其原理是通過對不同層次知識的表達、組織以更有效地實現設計方案、設計過程及設計知識的重用。設計重用可有效縮短設計周期，提高設計質量，從而實現快速響應設計與制造。

3、 系統動態模型的建立

機械學研究有在原型上和在模型上進行的兩個途徑。在原型上研究能充分反映實際情況，但由于現場條件的限制及各種因素的影響，難以完全滿足實驗要求。根據相似原理建立并以此收集系統信息的客體稱之為系統模型，按其性質又可分為實物模型與抽象模型。實物模型就是物理模型，而抽象模型是以功能相似及數學形式相似的數學原理來描述，統稱為數學模型。采用計算機三維模型既可以作為原型的虛擬模型，也可以建立將物理模型和抽象模型相結合的虛擬模型。

系統動態模型的質量直接影響到分析的結果。建立動態分析模型的關鍵在于“合理簡化”。首先要將原型簡化，計算機強大的計算、分析能力也對付不了復雜形狀零件、裝配體動輒幾百、幾千萬節點、單元、自由度的分析。所以用原型來進行有限元分析是不現實的，也沒有必要，需要簡化模型。

但是，簡化也是有限度的，所以需要“合理”的簡化。何謂合理，傳統的方法比較多是采用相似性原理來簡化，但是對于形狀相對復雜的零件，尤其是裝配體，建立哪怕是能夠“自圓其說”的簡化模型也很困難。

模態分析為我們建立一個合理、合適的模型提供了較好的方法。用于模態分析的模型是采用SolidWorks實體三維模型修改而成，所謂修改就是去除一些孔、圓角等次要特征而形成的。至于簡化后的模型是否和原型有相似的動態特性，可以通過對原型和模型的模態分析比較來驗證。由于模態分析，尤其是低階模態對系統的動態特性影響較大，因此通過比較模型的低階模態和原型的低階模態，一般兩者相差不超過3％就應該認為簡化是合理的。我們的三維實體模型的基振頻率是710.89Hz（圖3），而經過簡化的有限元分析模型的基振頻率是729.37Hz（圖4），兩者相差2.6%，因此可以認為簡化是成功的。

圖3 零件的基振頻率  圖4 簡化模型的基振頻率

4、 基于COSMOSWorks的優化設計

優化設計首先要確定優化目標。一般零件的優化目標可以是重量最輕、零件受力以后的變形最小、扭曲最小等等。對于軋輥磨床的中心架，我們定的優化目標就是模型的剛性最優。

從動態設計的觀點來說，剛性最優單采用靜剛度來衡量是不夠的，還需要對模型采用動剛度的分析。采用COSMOSWorks的頻率分析功能就能夠實現模型的模態分析。通過模態分析及時發現零件機構中容易發生變形的地方和變形的形式，便于采取相應的措施。

由于磨床的主要激振源就是砂輪高速轉動引起的振動，砂輪的轉速3000 r/min，相當于50Hz。所以中心架的基振頻率離激振頻率越遠，系統的動剛度越高。因此提高系統的基振頻率就可以作為優化目標之一。

采用與SolidWorks無縫集成的COSMOSWorks進行系統的優化我們采用以下方法：

⑴ 靜剛度最高

采用COSMOSWorks的靜應力分析，比較各種配置（水平托頭與水平方向之間的夾角、垂直托頭與垂直方向的夾角為二個變量）的中心架模型的加載后的位移量。優化目標是位移量最小。

如圖5所示，工件與水平托頭、垂直托頭接觸處的位移量不一樣，由于變形的對應關系，所以中心架的水平、垂直托頭的位移量也不相同，從而加大工件的圓柱度誤差。相對比較，圖6結構的中心架兩個托頭的變形差別不大，設計比較合理。

圖5 H1V25中心架加載變形圖  圖6 H15V25中心架加載變形圖

由于結構關系，兩個托頭的變形的發展趨勢可能并不一樣。如圖7所示。H20V20（近水平托頭與水平方向的夾角為20°；近垂直托頭與垂直方向的夾角為20°；以下類推）的中心架加載時垂直托頭的位移量較?。欢鳫20V15的中心架加載時水平托頭的位移量較小。這兩個托頭的位移都會影響工件的加工質量。這樣，最后選擇優化結果時選H20V20還是H20V15，很難確定。

⑵ 模態分析

每個構件都有其特定的振動頻率，稱為共振頻率。這種頻率由此構件特有的振動形式所決定。一旦受到共振頻率激勵，此構件就以一定形式振動，稱為模態振動。

頻率分析可認為是動態分析中最簡單的形式，我們通過研究在缺少阻尼和激振力情況下的自由振動來分析構件的動態性能。

我們利用COSMOSWorks的頻率分析功能，研究了64式砂輪架移動式中心架。經過對各種配置的中心架模型的頻率分析，測出V5H5中心架模型的基振頻率為247.85Hz，而H18V25中心架的基振頻率是319.98Hz，顯然，H18V25型的也就是托頭與水平、垂直方向夾角較大的中心架模型其動剛度比較高，工作較穩定。同時，通過分析我們還了解到對于基振頻率，其激振形式是左右晃動，由此可以通過在適當處加筋板來提高剛度。

圖8 H18V25中心架模型  圖9 V5H5中心架模型

⑶ 自動優化

以上對于中心架的優化實際上可以看成是通過枚舉方法，比較不同的配置來實現最優的選擇。其結果是離散的，也就是，你即使知道某一角度的優化值是在20°和30°之間，你也不知道到底是幾度，更重要的是由于是多變量的優化，因此，當其他角度改變了，原來的優化值，可能不一定再是優化值了。

COSMOSWorks為多變量優化提供了容易上手的處理。我們采用的是裝配體的優化，先進行靜應力分析，得到系統在指定載荷下的位移量，然后進行裝配體的頻率分析，計算其基振頻率。在此基礎上進行優化設計，選位移量最小作為優化目標，而以基振頻率增加作為約束。用水平托頭與水平方向之間的夾角、垂直托頭與垂直方向的夾角作為二個設計變量，對整個系統進行分析計算，由于整個模型采用參數化建模的，所以這二個角度的上限、下限的選擇就很重要。選擇不合適就可能導致模型重建失敗，優化也就失敗了。此優化研究經過八次迭代，結果收斂，得到了滿意的結果，見圖8。最后得到的優化結果是H13.53V24.67（圖9），與采用多配置枚舉法獲得的相對最優值H20V25的結果很接近，優化成功。

圖10 中心架優化的設計和過程  圖11 最終設計值

5、 總結

通過對軋輥磨床中心架的優化設計，我們嘗試了采用COSMOSWorks軟件進行優化設計,結果是滿意的。對照采用數學優化方法對模型的優化方法，無論建模、運算都要方便、直觀。對照其他三維設計軟件的有限元分析模塊來優化設計，CAD/CAE綜合性更強，是一個進步。對于生產實際是有實用價值的一款選擇。

據說對于即將推出的SolidWorks2008以及COSMOSWorks2008有更強大的分析功能，可以進行系統動態響應等高級動力學研究。

我們期待它的發布，這樣，我們還可以利用分析庫功能，建立基于知識重用的磨床中心架分析庫，使普通設計人員可以直接采用分析庫進行設計驗證。在設計過程中，考慮磨床的動態響應分析，向實現系統動態設計跨出一大步。

參考文獻
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