本發(fā)明涉及一種確定裝配體重心的方法，特別是涉及一種基于有限元理論確定非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體重心的方法及吊裝設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著工程設(shè)備大型化、重型化的發(fā)展，越來越重的工程設(shè)備已屢見不鮮，而保證這些大型設(shè)備的安全吊裝就顯得越來越重要。在空調(diào)領(lǐng)域，大巴空調(diào)屬于既長(zhǎng)又重的一種大型空調(diào)，在實(shí)驗(yàn)及搬運(yùn)過程中需要產(chǎn)品自身吊耳及行車等吊裝設(shè)備配合進(jìn)行抬吊。在這種吊裝方法中，設(shè)計(jì)者需要設(shè)計(jì)主尾吊點(diǎn)吊耳，吊耳的橫縱中心位置應(yīng)該和大巴空調(diào)的橫縱重心位置保持一致，否則重心不穩(wěn)會(huì)造成抬吊偏移嚴(yán)重，給搬運(yùn)帶來困難甚至造成產(chǎn)品滑落、跌落。裝配體由多個(gè)不同材料的零件組合，材料的密度各不相同，對(duì)于結(jié)構(gòu)布局對(duì)稱的裝配體，重心和形心重合，考慮到起吊設(shè)備的半徑、拔桿高度、鋼絲繩抗拉力等因素，即可確定吊耳位置；對(duì)于布局非對(duì)稱的裝配體，重心很難確定。如果通過實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量重心，先需要人工將大巴空調(diào)抬起放于中心支撐上，然后不斷調(diào)整中心支撐位置來保證其平衡，且一次支撐只能估測(cè)一個(gè)方向的重心，估測(cè)另外的方向需要再次抬起大巴空調(diào)更換支撐的方向，在找到重心后才能設(shè)計(jì)吊耳位置，耗費(fèi)大量的設(shè)計(jì)和加工時(shí)間，造成明顯的人力物力浪費(fèi)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對(duì)目前的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體所存在的重心難以確定的問題，提供一種在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)裝配體的重心進(jìn)行確定的方法，并可以根據(jù)確定的重心位置設(shè)計(jì)吊耳的裝配位置。

上述目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于有限元理論確定非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體重心的方法，包括以下步驟：

將裝配體拆分成若干零件體，繪制各零件體的三維實(shí)體模型；

根據(jù)各零件體的裝配關(guān)系將零件體的三維實(shí)體模型組裝為裝配體的三維實(shí)體模型；

對(duì)零件體賦予各種材料的材料屬性，根據(jù)各零件體對(duì)應(yīng)的材料屬性獲得裝配體總裝量；

利用有限元分析法將裝配體的三維實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分建立有限元模型，根據(jù)各單元對(duì)應(yīng)的材料屬性獲得各單元的重量；

以裝配體的一個(gè)邊緣為起點(diǎn)建立立方體選框，沿水平的第一方向框選部分裝配體有限元模型，計(jì)算被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和，調(diào)整立方體選框邊界位置，直到被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和為裝配體總裝量的一半，此時(shí)的立方體選框邊界為第一邊界；

以裝配體的另一個(gè)邊緣為起點(diǎn)建立立方體選框，沿水平的第二方向框選部分裝配體有限元模型，計(jì)算被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和，調(diào)整立方體選框邊界位置，直到被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和為裝配體總裝量的一半，此時(shí)的立方體選框邊界為第二邊界；

所述第一邊界與第二邊界在水平面上的交點(diǎn)為裝配體的重心。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一方向和第二方向相互垂直。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述材料屬性為材料密度。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述繪制零件體和裝配體三維實(shí)體模型的步驟采用creo軟件。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述建立有限元模型的步驟采用Hypermesh軟件或Nastran。

本發(fā)明還提供了一種吊裝設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

采用上述任一項(xiàng)所述的方法確定裝配體的重心；

在裝配體上確定若干吊耳位置，所述吊耳位置使吊鉤與裝配體重心位于同一條鉛垂線上。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述吊耳為4個(gè)，呈矩形分布，所述裝配體的重心位于矩形的中心點(diǎn)上。

本發(fā)明的有益效果是：通過本發(fā)明基于有限元理論確定非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體重心的方法，只需要設(shè)計(jì)人員對(duì)裝配體的實(shí)體模型進(jìn)行有限元?jiǎng)澐植①x予其參數(shù)就能確定重心的準(zhǔn)確位置，節(jié)省了人力和物力。并且，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中根據(jù)零件布局位置的調(diào)整隨時(shí)計(jì)算裝配體的重心位置，并可以根據(jù)重心位置隨時(shí)修改吊耳位置，避免了再產(chǎn)品設(shè)計(jì)后，為了保證重心平穩(wěn)而更改吊耳位置時(shí)可能與其他零件產(chǎn)生的干涉，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省反復(fù)設(shè)計(jì)、整改時(shí)間。

附圖說明

圖1為有限元微積分原理示意圖；

圖2本發(fā)明吊裝設(shè)計(jì)方法示意圖；

圖3本發(fā)明吊裝設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于大巴空調(diào)吊耳位置設(shè)計(jì)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明基于有限元理論確定非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體重心的方法及吊裝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

由于裝配體是由多個(gè)零件構(gòu)成的，每一個(gè)零件的重量不同，且很多零件都是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)于對(duì)稱均質(zhì)的物體，重心和形心是重合的，對(duì)于非對(duì)稱均質(zhì)或非均質(zhì)的物體，重心與形心不重合。針對(duì)這個(gè)問題，本發(fā)明利用有限元的思想，將不規(guī)則物體化整為零又積零為整，即將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相連結(jié)的單元組合體，其主要原理示意如圖1所示。設(shè)裝配體其中某一個(gè)零件的密度為ρ，體積為V，每小塊的體積為ΔVi，重量為ΔPi，此零件的總重為P，則

P＝ρ·V (1)

ΔP_i＝ρ·ΔV_i (2)

則重心P_c(x_c，y_c，z_c)的位置可由公式(3)～(5)確定。

同理，

這種有限元思想，是在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)，分片的表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，這樣，一個(gè)問題的有限元分析中，未知函數(shù)式其導(dǎo)數(shù)在各節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知數(shù)(自由度)，通過插值函數(shù)計(jì)算出各單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域的近似解。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。將運(yùn)用有限元思想的軟件Hypermesh作為工具，對(duì)各零件進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，賦予各材料的參數(shù)屬性(主要是密度)后，將各零件組裝成裝配體，通過mass calc功能計(jì)算出裝配體總重量，然后確定計(jì)算出xyz三個(gè)方向的重量中心位置，如果確定重心是用于設(shè)計(jì)吊裝方式，只需計(jì)算xy方向重心位置即可。根據(jù)確定好的重心位置，則可以根據(jù)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)跹b方式及其它零件的部位設(shè)計(jì)吊耳位置。

本發(fā)明基于有限元理論確定非對(duì)稱結(jié)構(gòu)裝配體重心的方法包括如下步驟：

將裝配體拆分成若干零件體，繪制各零件體的三維實(shí)體模型；

根據(jù)各零件體的裝配關(guān)系將零件體的三維實(shí)體模型組裝為裝配體的三維實(shí)體模型；

對(duì)零件體賦予各種材料的材料屬性，根據(jù)各零件體對(duì)應(yīng)的材料屬性獲得裝配體總裝量；

利用有限元分析法將裝配體的三維實(shí)體模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分建立有限元模型，根據(jù)各單元對(duì)應(yīng)的材料屬性獲得各單元的重量；

以裝配體的一個(gè)邊緣為起點(diǎn)建立立方體選框，沿水平的第一方向框選部分裝配體有限元模型，計(jì)算被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和，調(diào)整立方體選框邊界位置，直到被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和為裝配體總裝量的一半，此時(shí)的立方體選框邊界為第一邊界；

以裝配體的另一個(gè)邊緣為起點(diǎn)建立立方體選框，沿水平的第二方向框選部分裝配體有限元模型，計(jì)算被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和，調(diào)整立方體選框邊界位置，直到被框選部分的有限元模型中各單元的重量之和為裝配體總裝量的一半，此時(shí)的立方體選框邊界為第二邊界；

所述第一邊界與第二邊界在水平面上的交點(diǎn)為裝配體的重心。

其中第一方向與第二方向可以在非平行狀態(tài)下呈任意角度，則第一邊界與第二邊界就會(huì)相交，優(yōu)選第一方向和第二方向相互垂直，則第一邊界與第二邊界也會(huì)相互垂直，第一邊界和第二邊界會(huì)形成貫穿重心的橫向線和縱向線，有利于進(jìn)一步設(shè)計(jì)吊耳的位置。

具體的，所述材料屬性為材料密度，利用材料密度和單元體積，可以計(jì)算出單元的重量。

具體的，所述繪制零件體和裝配體三維實(shí)體模型的步驟采用creo軟件；所述建立有限元模型的步驟采用Hypermesh軟件或Nastran軟件。

裝配體的吊裝設(shè)計(jì)方法如圖2所示，幾根鋼絲繩合力作用在吊鉤上，若重心位置確定錯(cuò)誤，鋼絲繩豎直方向的合力與裝配體的重力將形成一對(duì)力偶，造成裝配體轉(zhuǎn)動(dòng)，除了豎向分力還有一個(gè)水平向分力，吊耳對(duì)稱設(shè)置可以使各吊耳的水平分力相互抵消，否則裝配體起吊后可能在水平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，需要靠人工拉溜繩來平衡。

以大巴空調(diào)為例，采用上述方法最終確定大巴空調(diào)的重心位置，如圖3所示，1、2、3及4代表四個(gè)吊耳的位置，位置1、3與位置2、4分別關(guān)于縱向重心線對(duì)稱，該圖只表示了大巴空調(diào)的縱向重心線與吊耳的位置關(guān)系，橫向同理。大巴空調(diào)的重心位置應(yīng)該是在縱向重心線與橫向重心線的交點(diǎn)上。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。