[发明专利]一种搅拌摩擦焊机器人立柱结构的拓扑优化设计方法

说明书

本发明涉及搅拌摩擦焊机器人结构分析领域，具体地说是一种搅拌摩擦焊机器人立柱结构的拓扑优化设计方法，包括步骤1：立柱结构的动态优化；步骤2：立柱结构的载荷和边界条件优化；步骤3：立柱结构的拓扑优化分析，先进行三维建模，建模后对立柱模型进行网格划分，然后对模型施加不同工况下的载荷值，并分别进行拓扑优化，并对各个拓扑优化后的立柱结构进行加权优化分析，得出最后的优化结果；步骤4：根据获得立柱结构的拓扑优化分析结果对立柱结构进行合理配置。本发明先对立柱结构进行优化设计，然后根据优化之后的结构，再次对立柱结构进行新一轮的拓扑优化矫正设计，从而获得综合动态性能较优的轻量化立柱结构。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊机器人结构分析领域，具体地说是一种搅拌摩擦焊机器人立柱结构的拓扑优化设计方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是一种新型的连续的固相连接技术,其一经出现,就在焊接领域引起极大轰动,被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。由于搅拌摩擦焊自身独特的优势,也吸引越来越多的科研机构进入到这一领域的研究工作中,使搅拌摩擦焊技术得到飞速发展。

目前国内外针对搅拌摩擦焊的科研重点主要集中在不同材料的搅拌摩擦焊接工艺及接头组织机械性能研究、搅拌摩擦焊过程中周围塑性材料的流动行为研究和温度场测定研究以及数值模拟等方面的工作。研究发现,搅拌摩擦焊焊缝经过塑性变形和动态再结晶后在焊缝区一般会得到组织细密的等轴晶粒,从微观组织结构分析,接头组织大体分为三个区，即焊核区、热力影响区、热影响区。焊后它们晶粒形状各自呈现不同的特征，由于焊核区受到强烈的挤压摩擦及搅拌作用,晶粒在这个区域破碎,扭曲,发生动态再结晶与回复,不断形成结晶核,最终长成超细的等轴晶粒，热力影响区是一个很窄的区域,在此区域中,金属既受到塑性变形的影响又受到温度场的影响,经历了扭曲和轻微再结晶,晶粒变细变长,晶粒大小仅次于焊核区，热影响区由于待焊工件供货状态不同,焊后晶粒变化不大,与母材晶粒相似。在机械力学性能方面,搅拌摩擦焊得到的接头性能普遍优于熔化焊获得的接头,对于熔化焊有困难的材料尤为明显，另外在研究接头组织机械性能的同时,各种材料的搅拌摩擦焊工艺也得到了优化。但经研究发现，目前大量专家学者的研究重点放在工艺效果上，对于整个机构的减量化、稳定性以及结构优化方面关注较少。

如图1所示，现有技术中的搅拌摩擦焊机器人整体组成主要包括焊接本体、A-B轴以及搅拌头三部分，其中焊接本体包括底座、立柱、滑枕等部分，A-B轴和搅拌头安装在滑枕前端，另外工件置于转台上且装置工作时随转台旋转，整个机器人因此总共包括7个自由度，分别是焊接本体实现的X、Y、Z三个移动自由度、A-B轴实现的2个转动自由度、搅拌头的伸缩自由度以及转台的回转自由度，其中X、Y、Z三个移动自由度主要是通过导轨滑块副和滚珠丝杠副驱动移动实现。目前机器人的底座、立柱、滑鞍等大件结构主要采用灰铸铁来进行铸造加工，滑枕等主要承载结构件，并且由于其为悬臂结构，采用了合金钢来进行焊接制造，以确保整机的刚度，除去转台，整个机器人的质量重约71吨，整机外包络尺寸约为1.8m×1.8m×1.6m，需要进行减量化，而在搅拌摩擦焊接过程中的焊接速度、旋转速度、下压量、轴向压力、扭矩等均会对焊接过程产生影响，进而影响焊接质量，比如搅拌摩擦焊接过程中搅拌头受力较大，易造成焊接设备结构变形，导致焊接位置出现偏差，因此在减轻设备重量的同时还要进行结构优化，以保证设备整体刚度。而在机器人的整个重量中，立柱又占了较大的比重，因此立柱优化是机器人能否实现减量化和结构优化的关键之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊机器人立柱结构的拓扑优化设计方法，先对立柱结构进行优化设计，然后根据优化之后的结构，再次对立柱结构进行新一轮的拓扑优化矫正设计，从而获得综合动态性能较优的轻量化立柱结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种搅拌摩擦焊机器人立柱结构的拓扑优化设计方法，包括：

步骤1：立柱结构的动态优化，获得一组最优设计变量以及目标函数值；