賀偉

摘 要：以某龍門加工中心為例，對其主要結(jié)構(gòu)橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，目的是建立大型加工中心結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文中首先建立了橫梁力學(xué)模型，對原有橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜態(tài)性能分析，之后再建立優(yōu)化模型，并進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，最后分析優(yōu)化結(jié)果，從而設(shè)計(jì)出改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并與原結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對比。結(jié)果表明，通過拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、抗震性不下降的前提下，其重量顯著降低。

關(guān)鍵詞：加工中心；橫梁；拓?fù)鋬?yōu)化；有限元；強(qiáng)度；剛度

中圖分類號(hào)：TH16；TP20 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

大型加工中心在切削載荷、電機(jī)等因素的影響下會(huì)發(fā)生形變，影響設(shè)備加工精度，因此其主要結(jié)構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在拓?fù)鋬?yōu)化概念出現(xiàn)前，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往很困難，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)實(shí)踐修正得到?，F(xiàn)在，我們可以根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，通過拓?fù)鋬?yōu)化的理念，在短時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。拓?fù)鋬?yōu)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方向。

1 建立力學(xué)模型

對某加工中心的橫梁進(jìn)行分析，建立受力模型。橫梁下側(cè)與兩個(gè)立柱相連，前側(cè)與十字滑塊相連。

1.1 滑臺(tái)、橫梁力學(xué)模型

加工中心滑臺(tái)、橫梁之間采用線軌連接，使用單絲杠驅(qū)動(dòng)。力學(xué)模型如圖1所示。

1.2 橫梁、立柱力學(xué)模型

橫梁、立柱之間采用螺栓組連接，其力學(xué)模型如圖2所示。

2 原結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能

依據(jù)力學(xué)模型及載荷計(jì)算結(jié)果，施加邊界條件和載荷，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。橫梁靜力求解結(jié)果見表1所列。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化的最終目的是減重，原則是保證減重后結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度及固有頻率不降低。

3.2 拓?fù)鋬?yōu)化

以滑枕部件位于滑臺(tái)上、下極限位置切削時(shí)的加權(quán)靜態(tài)應(yīng)變能最小以及結(jié)構(gòu)一階固有頻率最大為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行橫梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。載荷及邊界條件設(shè)置如圖5所示。

根據(jù)橫梁可能的所有受力情況，對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合載荷結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得出的結(jié)果如圖6所示。

4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，整個(gè)模型的筋板布置采用對稱模式。在橫梁中間部位布置兩根斜拉筋板，在兩側(cè)約束區(qū)域分別布置三根豎直筋板。具體模型方案示意圖如圖7所示。

4.2 新舊方案對比

改進(jìn)方案與原方案筋板布置比較如圖8所示，改進(jìn)方案位移求解結(jié)果如圖9所示，改進(jìn)方案應(yīng)力求解結(jié)果如圖10所示。橫梁靜態(tài)ANSYS計(jì)算結(jié)果見表2所列。

橫梁前十階固有頻率ANSYS計(jì)算結(jié)果見表3所列。

可見，改進(jìn)方案的前十階固有頻率與原方案比較均顯著增大，抗振性能提高。

5 結(jié) 語

通過對設(shè)計(jì)方案與原始方案的比較，我們認(rèn)為如上改進(jìn)方案已具備了龍門加工中心橫梁的基本性能，對于固有頻率問題，由于主軸電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，其頻率為116.7Hz，更改后的模型增大了第二階固有頻率，使得第一二階固有頻率均遠(yuǎn)離床身振動(dòng)源的頻率，因此橫梁的抗振性能得到增強(qiáng)。綜合上述因素，改進(jìn)方案顯著減小了橫梁質(zhì)量、整體應(yīng)力及一階固有頻率，滿足了輕量化，減振性等要求。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[S].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2]張選民.Pro/ENGINEER Wildfire3.0曲面設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2008.

[3]李秀英，騰弘飛.機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[4]王守新.材料力學(xué)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2005.

[5]戴曙.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[6]黃開榜，張慶春，那海濤.金屬切削機(jī)床[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[7]張居敏，楊俠，許福東.理論力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[8]李皓月，周田朋，劉相新.ANSYS工程計(jì)算應(yīng)用教程.北京：中國鐵道出版社，2002.