劉靜

1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)在機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較活躍，機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容十分豐富，涉及內(nèi)容很多，包括靜力學(xué)，結(jié)構(gòu)非線性分析，拓撲優(yōu)化，模態(tài)分析，動力學(xué)分析等。目前有限元方法在機床結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用主要有以下幾個方面：（1）靜力學(xué)分析。這是對二維或者三維機床零件承載后的應(yīng)力和應(yīng)變的分析，是有限元在機床設(shè)計中最基本、最常用的分析類型.（2）模態(tài)分析。這是動力學(xué)分析的一種，用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和各振型等振動特性。進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預(yù)應(yīng)力載荷.（3）諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析。這兩類分析也屬于動力學(xué)分析，用于研究機床對周期載荷和非周期載荷的動態(tài)響應(yīng).（4）熱應(yīng)力分析。用于研究結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布，以及及機床內(nèi)部的熱應(yīng)力.（5）接觸分析。用于分析兩個結(jié)構(gòu)件接觸時的接觸面狀態(tài)和法向力。

國內(nèi)的機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是應(yīng)用在剛度和強度分析方面。廣西大學(xué)陳文鋒、毛漢領(lǐng)MXBS一1320型高速外圓磨床動態(tài)性能的試驗研究0=1]一文中，對MXBs一1320型高速外圓磨床的動態(tài)性能使用脈沖激振法進行了試驗研究，得到磨床前幾階模態(tài)的頻率和振型圖，尋找出機床振動的薄弱環(huán)節(jié)和主要振源，并提出一些機床改造的措施。對主要零部件進行有限元分析，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。東南大學(xué)和無錫機床股份有限公司對內(nèi)圓圓磨床MZ120A床身結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到床身前幾階的固有頻率和振型，分析床身的內(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響。張海偉，利用動態(tài)實驗分析和理論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動態(tài)性能進行了分析=3]，通過實驗測試數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果對比分析，驗證了理論模型的合理性，找出了機床的薄弱環(huán)節(jié)，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明，機床結(jié)構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低。陳慶堂，運用工程軟件ANS丫S的優(yōu)化設(shè)計模塊，根據(jù)主軸箱的實際工況及機床零件加工精度要求，在參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，對XK7，3數(shù)控銑床軸箱結(jié)構(gòu)以減輕重量為目標進行優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化設(shè)計及分析，主軸箱結(jié)構(gòu)重量減輕了23.2%，三個方向上剛度和應(yīng)力得到了合理的分布。

東南大學(xué)機械工程系，利用有限元法對機床床身進行靜、動態(tài)分析，并使用漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對床身結(jié)構(gòu)進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優(yōu)化，為ESO方法在機床大件結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試。王艷輝、伍建國等人，在精密機床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計一文中，在確定精密機床床身合理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS有限元軟件提供的APDL參數(shù)化設(shè)計語言和優(yōu)化設(shè)計方法，以床身的肋板布置和肋板厚度為設(shè)計參數(shù)，對床身進行結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化，確定了床身結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)。不僅大大提高了床身的動態(tài)性能，而且節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本。

2 國外的研究現(xiàn)狀

國外的機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域的研究比較多，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有限元分析、參數(shù)化設(shè)計方面都有不少研究。美國機械工程師學(xué)會的有限元軟件分析機械結(jié)構(gòu)，提出全程參數(shù)化設(shè)計，并對其進行拓撲優(yōu)化，全面分析了設(shè)計變量在優(yōu)化程序中的變數(shù)。國外機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計存在以下特點：

（1）設(shè)計與分析平行。從以滿足一定性能要求為目標的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計，到具體設(shè)計方案的比較及確定、設(shè)計方案的模擬試驗等。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計的各個階段均有結(jié)構(gòu)分析的參與。床身結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個設(shè)計過程，這樣確定的床身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，基本就是定型方案。

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被用于設(shè)計的各個階段。

（3）大量的虛擬試驗代替實物試驗。虛擬試驗不僅可以在沒有實物的條件下進行，而且實施迅速、信息量大。利用虛擬試驗，一方面可以在多個設(shè)計方案中選擇最優(yōu)，減少設(shè)計的盲目性，另一方面可以及早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計中的問題。從而減少設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期。隨著工業(yè)的發(fā)展，對車床的要求越來越高。在車床的設(shè)計中，需要對其組成部件進行嚴密的分析與計算。車床床身等支承件的重量要占車床總重量的20%～30%，因此對支承件的單位重量剛度提出較高的要求。在重量輕的條件下，需保證支承件具有足夠的靜剛度，所以對支承件材料的分布、支承件壁厚和開孔位置的合理性提出了要求，有必要進行分析計算。

20世紀60年代后期，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元方法開始逐步應(yīng)用于工程實踐。有限元方法作為一種數(shù)值計算方法，它具有很多突出的優(yōu)點，并在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了大量的CAE軟件（如美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件；MSC的MS.CNasrtna和MS.CPartna等），從而實現(xiàn)了計算機技術(shù)和有限元理論的結(jié)合，大大提高了機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和質(zhì)量。當前，采用有限元方法，建立機床結(jié)構(gòu)的靜、動力學(xué)模型己經(jīng)成為機床理論建模普遍采用的方法。

3 有限元方法的實際應(yīng)用

有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途徑。在車床的設(shè)計中，利用有限元方法對其組成部件進行嚴密的分析和計算，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。湖南大學(xué)的賀兵等人在基于ANSYs的超高速平面磨床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一文中指出，提高機床零部件的第一固有頻率是提高機床剛性，避免共振，降低振幅的有效措施，用有限元方法對超高速平面磨床的床身和立柱及其改進結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析能夠得到提高第一階固有頻率的各種結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)對提高第一固有頻率的影響都不同。對立柱而言，（）l加翼特別是加箱翼，兩條三角形翼可提高第一固有頻率，并且隨著翼的尺寸的增加，固有頻率隨之增加。（2）增加水平筋板的數(shù)目和減小窗口，對提高固有頻率的影響不大。就床身而言，（）l隨開窗數(shù)目，尺寸的增加，第一固有頻率隨之降低。（2）全封閉部分橫向筋板清砂口可大大提高第一固有頻率，而調(diào)整筋板的數(shù)目不能很好的達到目的。

利用有限元方法可以分析出形狀相同，壁厚不同的車床床身模型受力后的變形情況，并可分析開孔位置和壁厚對剛度的影響。山東科技大學(xué)神會存等在車床床身結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計利用有限元方法計算了10種形狀相同，壁厚不同的車床床身模型受力后的變形情況，并分析了開孔位置和壁厚對剛度的影響，并得出如下結(jié)論，如果床身并非很細長時，剪切力的影響不能忽略，窗孔應(yīng)開在彎曲平面垂直的平面上，這樣開孔對床身的剛度影響最小。設(shè)計床身時，水平方向的剛度是很重要的，為提高水平方向的剛度，應(yīng)加厚上、下腹板，但有一定的限度，一般應(yīng)使上、下腹板厚度為側(cè)板厚度的1.5一2.0倍為宜。有限元方法已廣泛應(yīng)用于機床結(jié)構(gòu)件分析和設(shè)計，但它在有些方面并不是很完美。北京工業(yè)大學(xué)的谷祖強等在機床結(jié)構(gòu)中優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用研究]一文中表明，當設(shè)計變量很多時，所需的有限元分析的次數(shù)相當多，對于較大的復(fù)雜機構(gòu)體，作一次有限元靜態(tài)分析的CPU時間需要數(shù)小時，有時因時間太長難以繼續(xù)進行。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

優(yōu)化設(shè)計是新興發(fā)展起來的一門科學(xué)，也是一項新的技術(shù)，在工程設(shè)計的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。最優(yōu)化0是每一個工程產(chǎn)品設(shè)計者所追求的目標。任何一項工程或一個產(chǎn)品的設(shè)計，都需要根據(jù)設(shè)計要求，合理選擇方案，確定各種參數(shù)，以期達到最佳的設(shè)計目標，如重量輕、材料省、成本低、性能好、承載能力高等等。優(yōu)化設(shè)計正是根據(jù)這樣的客觀需求而產(chǎn)生并發(fā)展起來的。實際應(yīng)用表明，優(yōu)化設(shè)計不僅為工程設(shè)計提供了一種科學(xué)設(shè)計方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計問題時，能從眾多的設(shè)計方案中找到盡可能完善的或最合適的設(shè)計方案，而且采用這種設(shè)計方法能大大提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與有限元相結(jié)合的研究方法

有限元方法雖已廣泛應(yīng)用于機床結(jié)構(gòu)件分析和設(shè)計，但它在有些方面并不是很完美，最優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，為結(jié)構(gòu)件的最佳設(shè)計創(chuàng)造了條件。但是，進入優(yōu)化設(shè)計的先決條件是：首先要作一定量的有限元分析，才-能構(gòu)造最初的近似函數(shù)。一個優(yōu)化問題必須要有一個數(shù)學(xué)模型加以描述，這種描述必須能夠把該問題的基本目標及其所受的各種限制和約束列舉清楚，表示明確，在各種設(shè)計變量和各種參數(shù)之間必須保持應(yīng)有的、嚴格的邏輯結(jié)構(gòu)和協(xié)調(diào)關(guān)系，否則是無法通過計算，特別是電子計算機運算而得出正確結(jié)果的。