袁明超++石雙山

摘 要：機床部件的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于提高機床的競爭力。借助于計算機工具和有限元軟件，利用結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)進行部件數(shù)字化設(shè)計己成為數(shù)控機床輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計的必然趨勢。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，它可以大幅提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計過程中的材料和能源消耗，顯著提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：主筋板結(jié)構(gòu)；尺寸優(yōu)化

1.床鞍主筋板結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計

本文將根據(jù)床鞍結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果進行床鞍背面的主筋板結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計。本文借助ANSYS軟件優(yōu)化床鞍的主筋板結(jié)構(gòu)，并對設(shè)計和改進提供參考依據(jù)。

1.1結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計

根據(jù)機床支承件設(shè)計中常用的筋板結(jié)構(gòu)形式，給出了以下四種主筋板的結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案，如圖1.1所示。其中，方案一到方案四分別對應(yīng)1.1中的a到d。

1.2 構(gòu)型方案性能分析與對比

對以上四種構(gòu)型方案進行了靜動態(tài)性能有限元分析，初步比較它們的性能優(yōu)劣。為了保證比較的相對準確，幾何建模時各個構(gòu)型方案的主筋板厚度都設(shè)為25mm，高度都設(shè)為50mm。方案一到四的質(zhì)量分別為455kg、453.4kg、457kg、454.6kg。分別提取了四個構(gòu)型方案靜態(tài)特性分析后位置4的節(jié)點位移，提取了模態(tài)分析的前5階固有頻率。

方案一的一階到五階的固有頻率分別為211.4、291、429.5、540.3、884.3；方案二的一階到五階的固有頻率分別為227.1、292.1、447.6、525.5、875.4；方案三的一階到五階的固有頻率分別為214.9、284.9、428.2、499.1、854.9；方案四的一階到五階的固有頻率分別為208.6、300.6、429.3、567、878.7。通過質(zhì)量、靜態(tài)位移、模態(tài)固有頻率的比較來看，各個方案性能相差不是太大，但方案一和四的靜態(tài)性能要略優(yōu)于方案二和三。四個構(gòu)型方案將都暫且保留，進入下一階段的構(gòu)型參數(shù)設(shè)計，即尺寸優(yōu)化階段，以便選出靜動性能最好的設(shè)計方案。

2.床鞍主筋板構(gòu)型設(shè)計參數(shù)尺寸優(yōu)化

2.1設(shè)計參數(shù)尺寸優(yōu)化

結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計只是給出了主筋板大致的結(jié)構(gòu)形式，但并未確定其各個設(shè)計參數(shù)的具體數(shù)值。設(shè)計參數(shù)的變化會在一定范圍內(nèi)對支承件質(zhì)量和性能產(chǎn)生較大影響。為進一步實現(xiàn)床鞍結(jié)構(gòu)的輕量化，在主筋板構(gòu)型確定可使用尺寸優(yōu)化找到更為合理的主筋板構(gòu)型設(shè)計參數(shù)。用ProE軟件對四種主筋板構(gòu)型方案進行參數(shù)化建模，然后利用Workbench軟件對各構(gòu)型方案的設(shè)汁參數(shù)進行尺寸優(yōu)化。優(yōu)化時以質(zhì)量最小和剛度最大（位移最?。┳鳛閮?yōu)化目標(biāo)。本部分所做尺寸優(yōu)化主要涉及床鞍主筋板部分的構(gòu)型設(shè)計參數(shù)，為局部尺寸優(yōu)化。圖1.1e是以構(gòu)型方案一為例繪制的床鞍主筋板尺寸優(yōu)化的優(yōu)化參數(shù)示意圖。其余方案也采用相似的方法進行優(yōu)化。

本次尺寸優(yōu)化目標(biāo)具體包括質(zhì)量、床鞍總體位移，位置4位移（Y向和Z向和總體），優(yōu)化時可根據(jù)需要選擇單項為優(yōu)化目標(biāo)，也可選擇多項進行組合。以下獲得的幾組尺寸優(yōu)化結(jié)果基于多目標(biāo)組合優(yōu)化。

方案中方案一與方案二結(jié)構(gòu)相似，其中側(cè)板厚度跨距P1尺寸范圍為360-480mm；外壁板厚度P2尺寸范圍為20-30mm；P3為距離；P4為角度；主筋板厚度P5尺寸范圍為15-30mm；主筋板P6的高度范圍為25-55mm。

優(yōu)化后方案一到四的質(zhì)量分別為426.2kg、420.4kg、419.1kg、411.6kg。

2.2尺寸方案性能分析與對比

對尺寸優(yōu)化后得到的4種主筋板設(shè)計方案進行靜動態(tài)特性分析。提取了各方案4處節(jié)點位移如下表2-2所示。由于Z向位移相對較小，不便于觀察對比，圖中只繪出了Y向和總體位移曲線。通過對比發(fā)現(xiàn)：幾種方案的位移曲線幾近重合，但其變形都不大于原方案。

通過觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）方案1的靜剛度最大（位移最?。?，剛質(zhì)比也較大，但質(zhì)量也最大；方案2和3剛度較小且剛質(zhì)比較小，質(zhì)量處于中間位置；方案4剛度和剛質(zhì)比都較大且質(zhì)量最小。

（2）各個方案的前兩階固有頻率較原方案都有所提高，整體抗振性有小幅提升。

2.3 結(jié)構(gòu)改進設(shè)計方案

通過以上對比，結(jié)合支承件結(jié)構(gòu)工藝性，可選取方案四作為床鞍主筋板結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的構(gòu)型方案，選取方案4作為最終的改進設(shè)計方案。

結(jié)論

本文首先給出了四種床鞍主筋板結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案并進行了性能分析和對比；對各構(gòu)型方案進行了局部設(shè)計參數(shù)尺寸優(yōu)化并得到了相應(yīng)的尺寸設(shè)計方案，通過性能分析與對比選出了床鞍的輕量化改進設(shè)計方案。

參考文獻

[1]趙嶺，王婷，梁明，等.機床結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計的研究現(xiàn)狀與進展[J].機床與液壓，2012，40（15）： 145-147.