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188宝金博页面版: 基于元结构的立柱结构动态优化设计

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内容提示: 机 械 设 计 第 31 卷第 12 期机床结构件动态优化的常用方法有方案对比优选法、结构参数灵敏度分析法、拓扑优化法、参数化优化设计等 [ 1 ] 。 徐燕申提出基于元结构的结构优化方法,并成功应用于床身的优化 [ 2 ] 。 元结构指把结构大件就其组成的形体进行分解, 最终可分解得一些拓扑结构变化不大、相对独立的基本单元结构。 郭垒等人建立了元结构方法的理论模型,并证明了该方法的可行性 [ 3 ] 。 该方法分别从结构件内部结构和外部轮廓进行优化,有效解决了复杂结构件的优化设计问题, 近年来越来越多地应用于优化机床结构件。 朱军应用该方法对立式加工中心的立...

文档格式:PDF | 页数:5 | 浏览次数:263 | 上传日期:2016-10-09 00:21:44 | 文档星级:
机 械 设 计 第 31 卷第 12 期机床结构件动态优化的常用方法有方案对比优选法、结构参数灵敏度分析法、拓扑优化法、参数化优化设计等 [ 1 ] 。 徐燕申提出基于元结构的结构优化方法,并成功应用于床身的优化 [ 2 ] 。 元结构指把结构大件就其组成的形体进行分解, 最终可分解得一些拓扑结构变化不大、相对独立的基本单元结构。 郭垒等人建立了元结构方法的理论模型,并证明了该方法的可行性 [ 3 ] 。 该方法分别从结构件内部结构和外部轮廓进行优化,有效解决了复杂结构件的优化设计问题, 近年来越来越多地应用于优化机床结构件。 朱军应用该方法对立式加工中心的立柱、床身进行了动态优化 [ 4 ] ; 张学玲等人应用该方法实现了数控机床床身的结构动态优化 [ 5 ] 。立柱作为主要功能部件之一,其动态特性是确定加工中心抗振性的关键因素,改善其动态特性,有利于提高整机的加工精度。 文中先分析原立柱的动、静态特性,再基于元结构对其进行动态优化,最后:擞呕蠼峁沟木哺斩。传统方法中元结构的选型仅对元结构单体的动态特性作比较,忽略了其扩展后的动态特性,文中将通过比较扩展结构的动态特性选择元结构的型式。针对文中研究对象内部筋格元结构尺寸基本一致的特点,优化元结构尺寸时,使用参数化优化设计的方法。1 原立柱结构的有限元建模及动、静态分析1.1 立柱有限元模型的建立南通科技公司生产的 SGM50A 卧式加工中心采用箱中箱结构, 其立柱结构如图 1 所示。 立柱由底部13 个螺栓固定于床身,前侧两长条形凸台用于安装直线导轨,支承立滑板, 4 个方形凸台用于安装 X 向传动丝杠轴承座, 双丝杠驱动立滑板沿 X 向运动。 顶部 4个凸台用于安装其他附件。 立柱长( Z 向) 970 mm ,宽( X 向) 1 900 mm ,高( Y 向) 1 954 mm ,内部筋板厚 20mm ,外壁厚 25 mm ,质量 3 286 kg 。 在 Pro/E 中建立其三维模型,再导入有限元分析软件 ANSYS 中分析。 建立有限元模型时忽略较小的铸造圆角、工艺孔、凸台、螺孔等对结构整体动态特性影响不大的细节特征,有利于改善网格质量,提高计算效率。立柱结构材料为铸铁 HT300 ,弹性模量 E=1.3×10 5 MPa ,密度 ρ=7.35×10 12kg/mm 3 ,泊松比 μ=0.27 。选用 Solid92 单元划分网格,立柱底部通过螺栓与床身固定连接, 故约束条件设为在底部螺栓孔处施加约束,限制 6 个方向的自由度。1.2 立柱模态分析对原立柱进行约束模态分析,结果如表 1 所示。该加工中心电主轴最高转速为 15 000 r/min ,即激振频带为 0~250 Hz 。由表 1 可知,立柱前 4 阶模态频率在振源* 收稿日期:2013-05-27;修订日期:2014-06-07基金项目:国家科技重大专项资助项目(2013ZX04002011)作者简介:仇家强(1988—),男,广东佛山人,硕士,研究方向:机械结构优化设计。基于元结构的立柱结构动态优化设计*仇家强,张。N琅,王可(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094 )摘要:为提高加工中心立柱的动态特性,基于元结构理论从立柱内部筋板、外部框架分别进行优化。 针对文中研究对象内部大部分元结构尺寸相同的特点,采用参数化设计方法优化元结构尺寸,提高了优化效率。 元结构的拓扑型式根据扩展结构的动态特性选定,该方法比传统方法中根据元结构单体的动态特性选定型式更准确。 外部框架根据原立柱模态分析结果进行优化。 最后综合立柱内、外部优化分析结果,给出了动态优化效果、改进难度与成本各有优劣的两个优化方案,为加工中心的改进提供参考。关键词:有限元法;元结构;参数化设计;扩展结构;动态优化中图分类号: TH113.1 文献标识码: A 文章编号: 1001-2354 ( 2014 ) 12-0054-05第 31 卷第 12 期2014 年 12 月Vol.31 No.12Dec. 2014机 械 设 计JOURNAL OF MACHINE DESIGN图 1 原立柱结构横向筋板纵向筋板水平筋板YZX附件安装凸台轴承座安装凸台导轨安装凸台横向筋板加强筋YZ X

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