一种高速系统结构载荷优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于优化方法技术领域，尤其涉及一种高速系统结构载荷优化方法。
【背景技术】
[0002]随着IC封装工艺的进步和市场对IC需求的高速发展，IC封装设备向速度高(往复运动20000?24000次/小时)、加速度大(12-15g)、定位精度高(2?5μπι)的方向发展。机构的高速运动将产生较大的惯性力，导致弹性部件的变形，甚至引起强烈的振动、噪声，导致机构的磨损乃至失效。因此，必须对高速轻载机构进行优化设计，在满足一定刚度下减轻机械结构的质量，从而降低运动的惯性冲击，提高动作敏度。
[0003]当机构运动进入“高速”区域时，运动部件必须作柔性体假设，形成“柔性机构”(flexible mechanism),此时，由于机构部件间隙的存在及部件的刚体运动与其弹性变形耦合等问题，动力学模型将以变系数、非光滑、多非线性项甚至强非线性项组合的高维微分方程组形式出现，给建模分析和优化带来困难。尽管柔性多体系统运动学和动力学方面的研究取得的巨大的进展，但柔性多体动力学系统结构优化方面的研究较少。
[0004]基于多体系统动力学动态最优化设计的数学模型与一般机械系统最优化数学模型具有类似的形式，但其目标函数与约束方程包含状态变量，并且还受系统运动学方程或动力学方程约束。在采用收敛性好的最优化设计数值方法时，高速机构柔性多体动力学优化的主要困难是动态约束处理和灵敏度分析。对于动态响应优化问题，需要求解许多对设计变量或约束的差分方程作为灵敏度。采用伴随变量方法的增广拉格朗日方法能够减少灵敏度的计算，但需要计算积分，误差累积后精度变低。另外，有些乘子的更新还需要计算各自响应的梯度，因而限制了增广拉格朗日方法和伴随变量法的应用。另一个困难是动态约束的处理，为了从动态约束中消除时间参数，需要用等效积分形式或逐点约束来替代动态约束，增加了优化过程中约束数量和数值不稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明就是针对上述问题，提供一种提高综合灵敏度的高速系统结构载荷优化方法。
[0006]为实现上述目的，本发明包括以下步骤。
[0007]I)在全局坐标下，建立装配体有限元模型。
[0008]2)建立各部件子结构模型；进行动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信肩、O
[0009]3)建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中。
[0010]4)对带有运动学自由度的离散方程进行求解。
[0011]5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度。
[0012]6)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构。
[0013]7)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2) - 7)步。
[0014]作为一种优选方案，本发明所述2)建立各部件子结构模型；进行柔性多体动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信息。
[0015]3)按等时间或等空间原则，建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中。
[0016]4)用准静态分析方法对带有运动学自由度的离散方程进行求解。
[0017]作为另一种优选方案，本发明所述5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度。
[0018]6)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构。
[0019]7)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2) — 7)步；增加删除率后，被删除的单元很少，则提前优化结束。
[0020]本发明有益效果。
[0021]本发明采用带有运动学自由度的准静态分析，更好地模拟运动关节对柔性多体系统结构振动的影响。根据高速机构的动态特性，考虑了单元修改对结构惯性的影响，提出了应变能与动能之比作为该类优化问题的灵敏度，并提出了综合灵敏度分析方法，用单点法的计算量，达到逐点法的效果。
【具体实施方式】
[0022]本发明包括以下步骤。
[0023]I)在全局坐标下，建立装配体有限元模型。
[0024]2)建立各部件子结构模型；进行动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信肩、O
[0025]3)建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中。
[0026]4)对带有运动学自由度的离散方程进行求解。
[0027]5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度。
[0028]6)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构。
[0029]7)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2) - 7)步。
[0030]所述2)建立各部件子结构模型；进行柔性多体动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信息。
[0031]3)按等时间或等空间原则，建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中。
[0032]4)用准静态分析方法对带有运动学自由度的离散方程进行求解。
[0033]所述5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度。
[0034]6)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构。
[0035]7)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2) — 7)步；增加删除率后，被删除的单元很少，则提前优化结束。
[0036]等效静态载荷可以通过结构瞬态响应分析或多体动力学分析得到，从分析的观点来说，等效静态载荷方法似乎没有什么作用，但等效静态载荷的目标是在重新构造优化过程中已知的位移，而不是预测动态载荷下的位移。也就是说，等效静态载荷是面向设计而不是面向分析的。
[0037]我们构造一系列的结构平衡方程，时间相关的约束被逐点约束替代。由于该方法的简洁和有效，已经应用于动态响应问题、非线性动力响应问题和柔性多体动力学的优化求解中。然而，由于机构存在运动关节，得到的等效刚度矩阵中含有运动学自由度，导致了刚度矩阵是奇异的。因此，结构的静力学分析无法直接应用，本文将自由度分组，将运动学自由度通过广义逆，凝聚到内部自由度上。
[0038]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
【主权项】
1.一种高速系统结构载荷优化方法，其特征在于包括以下步骤: 1)在全局坐标下，建立装配体有限元模型； 2)建立各部件子结构模型；进行动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信息； 3)建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中； 4)对带有运动学自由度的离散方程进行求解； 5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度； 6)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构；7)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2)- 7)步。2.根据权利要求1所述一种高速系统结构载荷优化方法，其特征在于所述2)建立各部件子结构模型；进行柔性多体动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信息； 1)按等时间或等空间原则，建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中； 2)用准静态分析方法对带有运动学自由度的离散方程进行求解。3.根据权利要求2所述一种高速系统结构载荷优化方法，其特征在于所述5)计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度； 1)判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构； 2)计算结构总的应变能，如果满足约束，则得到优化结构；否则重复2)— 7)步；增加删除率后，被删除的单元很少，则提前优化结束。
【专利摘要】<b>一种高速系统结构载荷优化方法属于优化方法技术领域，尤其涉及一种高速系统结构载荷优化方法。本发明提供一种提高综合灵敏度的高速系统结构载荷优化方法。本发明包括以下步骤。</b><b>1</b><b>）在全局坐标下，建立装配体有限元模型；</b><b>2</b><b>）建立各部件子结构模型；进行动力学仿真，得到惯性力和运动速度、加速度信息；</b><b>3</b><b>）建立离散点的有限元模型，并将等效静态载何施加到对应的离散方程中；</b><b>4</b><b>）对带有运动学自由度的离散方程进行求解；</b><b>5</b><b>）计算各离散结构的单元应变能和动能，并计算复合无量纲则度；</b><b>6</b><b>）判断单元是删除还是保留；优化程序需要两个参数，首先是初始删除率，对于大多数结构；不断增加删除阈值，直到获得优化结构。</b>
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105653741
【申请号】
【发明人】许亚夫
【申请人】许亚夫
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年11月9日