一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统及方法与流程

本发明涉及轮毂夹持形变分析及优化，尤其涉及一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统及方法。

背景技术：

1、现有基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，通常以轮毂名义cad模型为对象，将夹爪与轮毂的接触简化为恒定罚刚度与库伦摩擦，并以静态夹持力作用下的轮毂基准面最大变形量最小化为单一目标，通过正交试验或序列二次规划等方法对夹持位置和夹紧力进行寻优，能够快速给出理想几何和线性接触假设下的较优夹持方案，在一定程度上减轻了因夹持不当引起的轮廓误差；

2、但是现有方法未计入轮毂铸造过程中产生的个体几何偏差与壁厚不均，恒定接触刚度无法描述粗糙表面真实接触状态下由微观峰元变形引起的非线性刚度强化效应，导致形变预测与实际情况偏差较大；同时，优化过程仅关注静态变形，忽视了夹具与轮毂系统的动态刚度分布，未将固有频率纳入考量，致使优化后的夹持状态在切削激励下易发生耦合振动，此外，直接耦合高保真非线性有限元求解进行多变量寻优时计算代价极高，难以实现静、动态性能指标的协同优化，严重制约了夹持方案在复杂工况下的适应性与求解效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统及方法，能够通过融合实测点云重建的个体偏差模型、分形非线性接触刚度表征与代理模型驱动的静动态多目标协同优化，在高效求解下完成对实际轮毂夹持形变与系统抗振性能的精准匹配。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，包括以下步骤：

3、基于待加工轮毂的实测表面点云数据建立包含铸造偏差的有限元模型，并赋予材料弹塑性本构参数；

4、构建夹具装配体模型，在轮毂与各夹爪之间建立接触对，并基于实测三维表面形貌利用分形接触理论建立非线性接触刚度模型，以替代恒定罚刚度赋予各接触对；

5、定义设计变量、多目标优化目标及约束条件；

6、采用代理模型辅助的多目标进化算法对所述设计变量进行迭代寻优，直至获得收敛的帕累托前沿并从中选取最优折衷解，作为轮毂夹持优化方案。

7、其中，所述基于待加工轮毂的实测表面点云数据建立包含铸造偏差的有限元模型，具体为：

8、由三维结构光扫描仪在线获取所述实测表面点云数据，采用基于局部曲率极值的特征保留算法进行点云精简，再通过非均匀有理b样条拟合重建为具有铸造偏差的实体模型。

9、其中，所述基于实测三维表面形貌利用分形接触理论建立非线性接触刚度模型，具体为：

10、基于分形参数d和g构建非线性接触刚度模型，法向接触刚度与切向接触刚度均为接触压力与表面微观峰元变形量的非线性函数，并通过用户子程序嵌入有限元接触计算。

11、其中，所述多目标优化目标具体为：

12、在夹持力与模拟加工载荷共同作用下轮毂基准面的最大形变量最小化、形变均匀度指数最小化，以及夹具与轮毂所构成系统的一阶固有频率最大化；其中，所述形变均匀度指数定义为轮毂基准面上关键节点变形量的标准差与平均变形量之比，所述模拟加工载荷包括根据车削用量计算的主切削力、背向力、进给力以及由主轴转速决定的旋转离心力。

13、其中，所述设计变量包括夹持点位置坐标、夹紧力序列、夹爪接触面曲率半径，以及夹爪与轮毂接触界面的摩擦系数；

14、所述摩擦系数以实测值为基准，在预设区间内连续寻优。

15、其中，所述代理模型辅助的多目标进化算法采用moea/d框架和切比雪夫分解法，并以自适应高斯过程代理模型替代真实非线性有限元接触计算进行预评估；

16、所述高斯过程代理模型的核函数为包含matérn 5/2核与周期核的组合核函数。

17、其中，所述多目标进化算法在每代进化中利用期望超体积改善加点准则挑选候选解，该准则以候选点的预测均值和预测方差构造超体积改善的期望值，选取最大化该期望值的个体执行所述真实非线性有限元接触计算，以更新代理模型和种群。

18、其中，所述构建夹具装配体模型还包括构建柔性夹爪，所述柔性夹爪的主体构型通过变密度拓扑优化方法确定，其壁厚和加强筋布局参数被纳入所述设计变量中。

19、其中，所述赋予材料弹塑性本构参数包括：

20、将由小试样拉伸试验测得的轮毂材料真实应力与应变曲线赋予模型，并在有限元模型中启用几何非线性，以计入夹持引起的薄膜应力刚化效应。

21、其中，一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统，用于实现所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，包括点云建模模块、接触建模模块、优化配置模块和代理优化模块；

22、所述接触建模模块与所述点云建模模块连接，所述优化配置模块与所述接触建模模块连接，所述代理优化模块与所述优化配置模块连接；

23、所述点云建模模块，用于基于待加工轮毂的实测表面点云数据建立包含铸造偏差的有限元模型，并赋予材料弹塑性本构参数；

24、所述接触建模模块，用于构建夹具装配体模型，在轮毂与各夹爪之间建立接触对，并基于实测三维表面形貌利用分形接触理论建立非线性接触刚度模型，以替代恒定罚刚度赋予各接触对；

25、所述优化配置模块，用于定义设计变量、多目标优化目标及约束条件；

26、所述代理优化模块，用于采用代理模型辅助的多目标进化算法对所述设计变量进行迭代寻优，直至获得收敛的帕累托前沿并从中选取最优折衷解，作为轮毂夹持优化方案。

27、本发明的一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统及方法，通过在线三维结构光扫描获取待加工轮毂的实测表面点云，经特征保留精简和非均匀有理b样条拟合重建为包含铸造偏差的个体化有限元模型，并赋予由拉伸试验测得的材料真实应力与应变曲线和几何非线性设定，使模型能够反映该轮毂的真实刚度分布与弹塑性响应。其次，利用白光干涉仪实测夹爪与轮毂接触界面的三维形貌并提取分形参数，据此建立法向与切向接触刚度随接触压力非线性变化的连续函数，通过用户子程序嵌入有限元求解器，替代传统恒定罚刚度模型，从而精准刻画粗糙表面从初始接触到稳定夹紧全过程的界面刚度演变。在此基础上，将夹持点位置、夹紧力序列、夹爪接触面曲率半径及界面摩擦系数定义为设计变量，以轮毂基准面最大形变量最小化、形变均匀度指数最小化以及夹具与轮毂所构成系统的一阶固有频率最大化为三个协同优化目标，并施以接触面无宏观滑移和等效应力约束。求解则采用以组合了matérn 5/2核与周期核的自适应高斯过程代理模型为近似模型的moea/d多目标进化算法，通过期望超体积改善加点准则在每代中仅挑选最有价值的候选解进行真实非线性有限元接触计算，以极少的计算代价获得收敛的帕累托前沿并从中选取最优夹持方案。该方法将个体铸造偏差、分形接触非线性和静动态多目标协同优化融为一体，在高效求解的同时实现了夹持形变的精准预测与系统抗振性能的主动匹配。

1.一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

3.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

4.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

5.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

6.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

7.如权利要求6所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

8.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

9.如权利要求1所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，

10.一种基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化系统，用于实现如权利要求1-9任一所述的基于有限元计算的轮毂夹持接触形变优化方法，其特征在于，包括点云建模模块、接触建模模块、优化配置模块和代理优化模块；