(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210582098.0 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 西安科技大 学 地址 710054 陕西省西安市碑林区雁塔中 路58号 (72)发明人 鲁麒　高旭博　陈永豪　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 高博 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑碳排放的机床关键部件优化方法 及系统 (57)摘要 本发明公开了一种考虑碳排放的机床关键 部件优化方法及系统， 以机床运动/支撑关键部 件为输入， 对关键部件生命周期中的碳排放进行 分析， 构建碳排放量化模型， 获得关键部件碳排 放量和影响参数； 构建机床整机有限元模型， 分 别对机床整机和关键部件静动态特性进行分析， 获得整机及关键部件优化前的静动态特性； 根据 关键部件碳排放模型和优化前静动态特性， 确定 关键部件设计变量、 构建多目标优化模 型并对模 型进行求解和验证， 输出优化后的关键部件。 本 发明解决了机床优化设计时碳排放和静动态特 性难以协调的问题， 对保障机床低碳、 高效运行 具有重要意 义。 权利要求书2页 说明书10页 附图1页 CN 114970265 A 2022.08.30 CN 114970265 A 1.一种考虑碳 排放的机床关键 部件优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 以机床运动/支撑关键部件为输入， 对机床关键部件生命周期中的碳排放进行分 析， 构建机床关键 部件碳排放量化模型； S2、 构建机床整机有限元模型， 分别对机床整机和关键部件静动态特性进行分析， 获得 整机及关键 部件优化前的静动态特性； S3、 根据步骤S1得到的机床关键部件碳排放量化模型和步骤S2 获得的整机及关键部件 优化前的静动态特性， 确定关键部件设计变量， 构建多目标优化模型并输出优化后的关键 部件， 完成机床关键 部件优化。 2.根据权利要求1所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S1具 体为： S101、 以机床关键 部件为对象确定 机床关键 部件碳排放量化边界； S102、 基于步骤S101定义的机床关键部件碳排放量化边， 分析边界内涉及的多形态流， 对碳排放量化的相关要素进行评判， 确定碳源、 类别、 流向、 影响因素； S103、 基于步骤S102确定的碳源、 类别、 流向、 影响因素， 采用生命周期评估方法对边界 内多形态流涉及的不同碳排放来源进行量化， 然后基于步骤S101定义的边界， 构建机床关 键部件的碳 排放量化函数， 得到包 含不同参数的机床关键 部件碳排放量化模型； S104、 基于步骤S103获得的包含不同参数的机床关键部件碳排放量化模型， 收集碳排 放系数及相关数据， 代入机床关键 部件碳排放量化模型中， 获得机床关键 部件的碳 排放量。 3.根据权利要求1所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S102 中， 类别包括： 化石燃料排放、 来自能量消耗的间接碳排放以及来自供应链上下游的间接碳 排放； 静止源燃烧设备、 移动源燃烧设备、 过程源排放和飞逸性源排放； 材料消耗引起的直 接碳排放和能源消耗引起的间接碳排放； 能源碳排放、 物料碳排放和工艺碳排放； 流向包括 信息流、 能量 流和物质流在机床中流动方向； 影响为对碳 排放量化有影响的因素。 4.根据权利要求1所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S2具 体为： S201、 构建机床几何模型， 根据机床结构、 材料、 几何特征、 截面、 精度要求、 工况条件， 基于有限元分析 软件定义材 料属性和边界条件， 获得机床整机的有限元模型； S202、 分析并计算机床整机不同部位的受力情况； S203、 根据机床关键部件的功能特点， 分析载荷及其作用表征形式， 简化机床关键部件 结构， 设置机床关键部件在特定工况条件下的约束， 分别进 行静态和动态特性分析， 得到优 化前的低阶固有频率、 模态振型和谐响应分析曲线。 5.根据权利要求4所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S202 中， 在静态分析中， 确定机床结构位移和应力变形情况； 在动态分析中， 进行模态分析和谐 响应分析， 得到 机床低阶固有频率、 模态振型和谐响应分析曲线。 6.根据权利要求1所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S3具 体为： S301、 基于步骤S1得到的机床关键部件碳排放量化模型， 以及步骤S2得到的机床整机 及关键部件优化前 的静动态特性， 结合定量和定性方法， 综合判断提取影响碳排放和静动 态特性的耦合影响参数；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114970265 A 2S302、 对步骤S301得到的耦合影响参数进行分析、 处理和 简化处理， 基于参数灵敏度分 析方法筛选出对机床关键 部件碳排放和静动态特性影响最大的关键变量； S303、 构建多目标优化模型； S304、 采用进化算法、 线性加权法、 梯度下降算法对步骤S303得到的多目标优化模型进 行求解， 得到关键 部件关于设计 变量的优化方案 。 7.根据权利要求6所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S301 中， 耦合影响参数包括： 材料参数： 材 料密度、 热导 率、 比热容和弹性模量； 尺寸参数： 关键 部件的长度、 厚度、 宽度、 直径和角度； 运动参数： 切削速度、 切削深度、 进给量、 转速、 加速度和流 量； 动力参数： 功率、 力、 力矩和转动惯量。 8.根据权利要求6所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S303 具体为： S3031、 以关键部件的碳排放和静动态特性为目标， 使碳排放最小、 变形量最小， 一阶固 有频率最大； S3032、 建立多目标优化模型的约束条件； S3033、 建立各目标对于设计变量的响应面模型并对响应面模型的预测能力进行显著 性分析， 指标包括多重判定系数、 修 正的多重判定系数以及均方根差 。 9.根据权利要求6所述的考虑碳排放的机床关键部件优化方法， 其特征在于， 步骤S304 完成后， 对关键 部件关于设计 变量的优化方案进行验证如下： S3051、 基于步骤S304得到的关键部件关于设计变量的优化方案， 对优化后的关键部件 进行验证， 设置相同边界和约束条件 对关键部件进行静动态分析； S3052、 将优化后的关键部件替代机床整机模型中关键部件的原始模型， 对机床整机进 行静动态分析； S3053、 分别对比分析优化前后关键部件的性能和整机的性能的变化， 包括变形量、 模 态频率和振型和谐响应分析曲线； S3054、 重新计算关键部件的碳排放量， 对比分析优化前后关键部件的碳排放量的变化 确定优化后的关键 部件。 10.一种考虑碳 排放的机床关键 部件优化系统， 其特 征在于， 包括： 碳排放模块， 以机床运动/支撑关键部件为输入， 对机床关键部件生命周期中的碳排放 进行分析， 构建机床关键 部件碳排放量化模型； 静动态特性模块， 构建机床整机有限元模型， 分别对机床整机和关键部件静动态特性 进行分析， 获得整机及关键 部件优化前的静动态特性； 优化模块， 根据碳排放模块得到的机床关键部件碳排放量化模型和静动态特性模块获 得的整机及关键部件优化前 的静动态特性， 确定关键部件设计变量， 构建多目标优化模型 并输出优化后的关键 部件， 完成机床关键 部件优化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114970265 A 3