基于响应面法的缸梁一体式六面顶压机铰链梁优化

何文斌 姚港生 汪曙光 王良文 明五一 谢贵重 李轲 鲁海霞

摘要 六面顶压机是中国生产金刚石的主要设备，其关重件铰链梁在工作中承受连续的交变载荷，易出现失效破损。提出RSM 和MOGA 相结合的方法，对新型六面顶压机的铰链梁进行优化分析。首先建立铰链梁的参数化模型，以关键部分的尺寸为设计参数，以最大应力和最大位移为目标函数，并对其最大质量进行约束；然后使用DOE 获得设计试验点；利用RSM 获得代理模型；再通过MOGA 法搜索全局最优解，最后对铰链梁的优化结果进行评估。结果表明：优化后的铰链梁在质量略微增加的情况下，刚度和强度有效提高，应力集中现象也明显改善。

关键词 六面顶压机；铰链梁；响应面法；多目标遗传算法

中图分类号 TH6; TB321; TQ164; TP391 文献标志码 A文章编号 1006-852X（2023）04-0523-08

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0204

收稿日期 2022-11-20 修回日期 2023-01-29

目前，世界上生产金刚石的高温高压设备主要有六面顶压机和两面顶压机。中国主要以铰链式六面顶超高温高压金刚石合成压机（简称六面顶压机）来合成金刚石。六面顶压机的主要优点有：良好的经济性，稳定的温度和压力，简单的结构，良好的对中性等[1]。目前，国际上90% 以上的人造金刚石是由六面顶壓机合成生产的[2]。近年来，随着微电子与精密液压控制等技术的发展和应用，压机大型化步伐逐步加快，对压机性能的要求也愈来愈高。但现有六面顶压机生产效能偏低，与两面顶压机的高产出比还有较大差距；设备的精度保持性与抗疲劳性弱，难以满足高品质金刚石的合成需要。而铰链梁为压机的关重件之一，其主要作用是承受工作缸内的轴向推力并支撑工作缸，当压机工作时，铰链梁长期承受循环交变大载荷，容易出现疲劳损伤。为了保证六面顶压机的安全服役并提高压机的寿命，需要对铰链梁进行力学分析和结构优化。

王良文等[3] 借助有限元方法，对压机的实际工作情况进行模拟，得到了铰链梁的应力和变形值。刘竹丽等[4] 利用有限元方法对铰链梁进行疲劳强度结构优化并与其静强度结构优化对比，得出前者比后者体积增加，最大等效应力下降的结果。张聪等[5] 在铰链梁模型中首次引入销轴，使凸耳处的载荷更接近实际工况，并利用ANSYS 对铰链梁的受力情况进行仿真，验证了试验的正确性。汪曙光[6] 选取铰链梁的主要结构尺寸作为设计变量，对铰链梁进行了优化分析，得出了主要结构参数对铰链梁应力的影响情况。

综上所述，关于铰链梁的研究已经获得了些许成果，但这些研究主要是对较小缸径且工作缸和铰链梁为分体结构的压机，对于“缸梁一体”式压机的研究却很少涉及。为进一步提高铰链式六面顶压机的性能及经济性，对新型铰链梁进行了分析和优化，整个优化流程大致可分为3 部分：第一部分，建立起铰链梁的计算机辅助工程CAE（computer aided engineering， CAE）模型并对其进行分析，探究铰链梁的易损点；第二部分，根据有限元结果选取铰链梁关键尺寸参数，并建立起优化的数学模型，然后通过标准二阶响应面法建立代理模型并对其进行精度评价；第三部分，利用多目标遗传算法MOGA（multi-objective genetic algorithm，MOGA）算法对铰链梁进行优化，搜索设计目标的最优解，最后对优化结果进行分析和讨论。以期有效地提高铰链梁的整体强度和刚度，为“缸梁一体”铰链梁的结构设计和研发提供有益参考。