何文斌 姚港生 汪曙光 王良文 明五一 謝貴重 李軻 魯海霞

摘要 六面頂壓機(jī)是中國(guó)生產(chǎn)金剛石的主要設(shè)備，其關(guān)重件鉸鏈梁在工作中承受連續(xù)的交變載荷，易出現(xiàn)失效破損。提出RSM 和MOGA 相結(jié)合的方法，對(duì)新型六面頂壓機(jī)的鉸鏈梁進(jìn)行優(yōu)化分析。首先建立鉸鏈梁的參數(shù)化模型，以關(guān)鍵部分的尺寸為設(shè)計(jì)參數(shù)，以最大應(yīng)力和最大位移為目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)其最大質(zhì)量進(jìn)行約束；然后使用DOE 獲得設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)；利用RSM 獲得代理模型；再通過MOGA 法搜索全局最優(yōu)解，最后對(duì)鉸鏈梁的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：優(yōu)化后的鉸鏈梁在質(zhì)量略微增加的情況下，剛度和強(qiáng)度有效提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象也明顯改善。

關(guān)鍵詞 六面頂壓機(jī)；鉸鏈梁；響應(yīng)面法；多目標(biāo)遺傳算法

中圖分類號(hào) TH6; TB321; TQ164; TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）04-0523-08

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0204

收稿日期 2022-11-20 修回日期 2023-01-29

目前，世界上生產(chǎn)金剛石的高溫高壓設(shè)備主要有六面頂壓機(jī)和兩面頂壓機(jī)。中國(guó)主要以鉸鏈?zhǔn)搅骓敵邷馗邏航饎偸铣蓧簷C(jī)（簡(jiǎn)稱六面頂壓機(jī)）來(lái)合成金剛石。六面頂壓機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有：良好的經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定的溫度和壓力，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，良好的對(duì)中性等[1]。目前，國(guó)際上90% 以上的人造金剛石是由六面頂壓機(jī)合成生產(chǎn)的[2]。近年來(lái)，隨著微電子與精密液壓控制等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，壓機(jī)大型化步伐逐步加快，對(duì)壓機(jī)性能的要求也愈來(lái)愈高。但現(xiàn)有六面頂壓機(jī)生產(chǎn)效能偏低，與兩面頂壓機(jī)的高產(chǎn)出比還有較大差距；設(shè)備的精度保持性與抗疲勞性弱，難以滿足高品質(zhì)金剛石的合成需要。而鉸鏈梁為壓機(jī)的關(guān)重件之一，其主要作用是承受工作缸內(nèi)的軸向推力并支撐工作缸，當(dāng)壓機(jī)工作時(shí)，鉸鏈梁長(zhǎng)期承受循環(huán)交變大載荷，容易出現(xiàn)疲勞損傷。為了保證六面頂壓機(jī)的安全服役并提高壓機(jī)的壽命，需要對(duì)鉸鏈梁進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

王良文等[3] 借助有限元方法，對(duì)壓機(jī)的實(shí)際工作情況進(jìn)行模擬，得到了鉸鏈梁的應(yīng)力和變形值。劉竹麗等[4] 利用有限元方法對(duì)鉸鏈梁進(jìn)行疲勞強(qiáng)度結(jié)構(gòu)優(yōu)化并與其靜強(qiáng)度結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比，得出前者比后者體積增加，最大等效應(yīng)力下降的結(jié)果。張聰?shù)萚5] 在鉸鏈梁模型中首次引入銷軸，使凸耳處的載荷更接近實(shí)際工況，并利用ANSYS 對(duì)鉸鏈梁的受力情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了試驗(yàn)的正確性。汪曙光[6] 選取鉸鏈梁的主要結(jié)構(gòu)尺寸作為設(shè)計(jì)變量，對(duì)鉸鏈梁進(jìn)行了優(yōu)化分析，得出了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉸鏈梁應(yīng)力的影響情況。

綜上所述，關(guān)于鉸鏈梁的研究已經(jīng)獲得了些許成果，但這些研究主要是對(duì)較小缸徑且工作缸和鉸鏈梁為分體結(jié)構(gòu)的壓機(jī)，對(duì)于“缸梁一體”式壓機(jī)的研究卻很少涉及。為進(jìn)一步提高鉸鏈?zhǔn)搅骓攭簷C(jī)的性能及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)新型鉸鏈梁進(jìn)行了分析和優(yōu)化，整個(gè)優(yōu)化流程大致可分為3 部分：第一部分，建立起鉸鏈梁的計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（computer aided engineering， CAE）模型并對(duì)其進(jìn)行分析，探究鉸鏈梁的易損點(diǎn)；第二部分，根據(jù)有限元結(jié)果選取鉸鏈梁關(guān)鍵尺寸參數(shù)，并建立起優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，然后通過標(biāo)準(zhǔn)二階響應(yīng)面法建立代理模型并對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià)；第三部分，利用多目標(biāo)遺傳算法MOGA（multi-objective genetic algorithm，MOGA）算法對(duì)鉸鏈梁進(jìn)行優(yōu)化，搜索設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)解，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析和討論。以期有效地提高鉸鏈梁的整體強(qiáng)度和剛度，為“缸梁一體”鉸鏈梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研發(fā)提供有益參考。