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        深孔鉆鏜床床身的有限元分析及拓撲優(yōu)化*

        2013-12-23 04:46:08游小紅薄瑞峰
        關(guān)鍵詞:模態(tài)有限元優(yōu)化

        游小紅,薄瑞峰

        (中北大學(xué) 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

        0 引言

        隨著技術(shù)的發(fā)展,深孔鉆鏜床以其高精度、高質(zhì)量、高效率等優(yōu)良加工性能在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中使用越來越廣泛,而床身結(jié)構(gòu)作為深孔鉆鏜床關(guān)鍵性基礎(chǔ)部件,其結(jié)構(gòu)性能影響到整個機床工作性能[1]。引入拓撲優(yōu)化概念,然后以深孔鏜床床身的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計為例,采用有限元分析軟件ANSYS10.0 對其進行單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計來提高其剛度和抗振能力,減小變形量,同時減輕床身的質(zhì)量。上海理工大學(xué)郭媛美利用ANSYS、HyperWorks 大型有限元軟件對外圓磨床床身進行了拓撲優(yōu)化,在保證機構(gòu)具有足夠強度和剛度的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了磨床床身設(shè)計重量的大幅度下降,所得結(jié)論對進一步改進原有產(chǎn)品具有實用和指導(dǎo)意義[2]。目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),特別是拓撲優(yōu)化技術(shù)在深孔加工機床中的應(yīng)用幾乎沒有,深孔加工機床關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化迫切需要拓撲優(yōu)化技術(shù)。

        1 床身的有限元分析

        1.1 有限元力學(xué)模型的建立

        將Pro/E 建立的零件實體模型通過中間數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入ANSYS,然后進行網(wǎng)格劃分,由于深孔床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較多縱橫交錯的筋板,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,用影射網(wǎng)格劃分比較困難,所以本次網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1 所示[3]。在拓撲優(yōu)化單元類型的選取上選用solid45 單元。在ANSYS 分析時這是一種三維實體單元,每個實體單元含有8 個節(jié)點。劃分后床身的節(jié)點總數(shù)為197244,單元總數(shù)為31524。

        T2120 深孔鉆鏜床床身材料為HT200,根據(jù)德州市巨泰機床制造有限公司提供的參考數(shù)值,床身的材料參數(shù)為:密度為7.8 × 103kg/m3,彈性模量為100GPa,泊松比為0.26。

        1.2 床身的模態(tài)分析

        模態(tài)分析是用于確定結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的動態(tài)特性。通過計算T2120 深孔鉆鏜床床身的固有頻率和振型,來分析床身的動態(tài)特性和結(jié)構(gòu)剛強度比較薄弱的環(huán)節(jié),其分析結(jié)果可以作為對床身結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)改進的理論依據(jù)[4]。利用ANSYS 軟件對床身的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,并提取前6 階固有頻率及振型如表1 所示,其振型圖如圖2 ~圖7 所示。

        表1 床身前6 階固有頻率及振型

        從床身前五階固有頻率可以看出,床身固有頻率在100 到120Hz 之間,該振動范圍均比床頭箱的固有頻率低,說明床頭箱的回轉(zhuǎn)振動不會造成床身的共振。從床身振型圖可以看出,床身各階振型多為整體振型,說明床身的整體剛度較好,從第五階出現(xiàn)局部振動,尤其是出現(xiàn)彎振,可以看出床身的局部剛度比較薄弱,可進行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進,來提高床身局部剛度。

        圖2 床身第一階模態(tài)振型圖

        圖3 床?身第二階模態(tài)振型圖

        圖4 床身第三階模態(tài)振型圖

        圖5 床身第四階模態(tài)振型圖

        圖6 床身第五階模態(tài)振型圖

        圖7 床身第六階模態(tài)振型圖

        2 拓撲優(yōu)化

        2.1 床身的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

        由床身設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件來定義拓撲優(yōu)化模型,計算出床身結(jié)構(gòu)拓撲圖,根據(jù)拓撲結(jié)果及床身實際結(jié)構(gòu)需要,在PRO/E 中建立優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型,導(dǎo)入有限元分析軟件進行動態(tài)分析,分析比較[5-6]。

        2.2 拓撲優(yōu)化結(jié)果

        根據(jù)有限元分析結(jié)果,可知原床身結(jié)構(gòu)局部剛度比較薄弱、結(jié)構(gòu)設(shè)計保守造成床身重量過大等缺點,現(xiàn)對深孔鉆鏜床床身進行拓撲優(yōu)化,床身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果顯示如圖8 所示。

        圖8 深孔鉆鏜床床身結(jié)構(gòu)拓撲圖

        拓撲優(yōu)化模塊中通過實體上不同的顏色來表示拓撲優(yōu)化的結(jié)果[7-8]。優(yōu)化結(jié)果顯示圖中深色區(qū)域為材料可刪除部分,淺色區(qū)域為材料保留部分。在設(shè)置拓撲優(yōu)化求解時,本次拓撲優(yōu)化求解設(shè)置為20次自動迭代求解,拓撲優(yōu)化計算結(jié)果顯示比較,選定去除材料的百分比為50%,收斂公差為0.0001。

        2.3 結(jié)構(gòu)改進及分析比較

        基于上述分析,根據(jù)圖8 床身結(jié)構(gòu)拓撲圖及床身實際結(jié)構(gòu)需要,在PRO/E 中對床身結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案,得出結(jié)構(gòu)簡化模型如圖9 所示。

        (1)即根據(jù)拓撲圖在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上減少床底的厚度,減少床身兩側(cè)板厚度,由原有尺寸25mm 減至20mm,把整體式結(jié)構(gòu)改成殼結(jié)構(gòu)[7]。

        (2)改變床身筋格元結(jié)構(gòu)布局方式和數(shù)量,由原來的立式改為交叉式,使筋格能夠相互連在一起。

        圖9 優(yōu)化后的床身模型(去掉底板)

        將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入ANSYS 中進行模態(tài)分析,計算其固有振動特性,確定其固有頻率和振型[9-10],對優(yōu)化前后床身固有頻率進行分析比較如表2 所示。由表可知床身優(yōu)化后各階固有頻率有明顯提高。

        表2 優(yōu)化前后床身前6 階固有頻率比較

        限于篇幅,只列出床身優(yōu)化后的五、六階振型圖如圖10 所示。通過與優(yōu)化前進行比較,可以看出優(yōu)化前后振型有一定變化。床身優(yōu)化后的模態(tài)特性相對于原結(jié)構(gòu)有明顯提高,而且去除材料占床總質(zhì)量的27.5%?;具_到了優(yōu)化的效果。

        圖10 床身優(yōu)化后的五、六階振型圖

        3 結(jié)論

        文章對深孔鉆鏜床床身進行了模態(tài)分析,計算了床身固有頻率和振型。根據(jù)床身的動態(tài)特性分析,得出原床身局部剛度比較薄弱、結(jié)構(gòu)設(shè)計保守造成床身重量過大等缺點?;诜治鼋Y(jié)果,為提高床身局部剛度,減少床身自身重量,對床身進行拓撲優(yōu)化,改進床身結(jié)構(gòu)。改進后的床身前6 階固有頻率有明顯提高,質(zhì)量減少了27.5%,達到了拓撲優(yōu)化減重和材料最佳分配的目標(biāo)。

        [1]仝偉國,龐學(xué)慧,段曉霞. 可重構(gòu)深孔加工機床研究[J].機床與液壓,2010(24):28-30.

        [2]郭媛美,郭春星,陳葉林. 外圓磨床床身結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計[J]. 精密制造與自動化,2010(1):39-41.

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        [10]張朝暉. ANSYS12.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析第三版[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2010.

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