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基于靈敏度分析的XK719數(shù)控銑床尺寸優(yōu)化*

2016-04-14 01:07張疆平賈成閣趙希祿關英俊
組合機床與自動化加工技術 2016年2期

張疆平,李 想,賈成閣,趙希祿,關英俊

(1.長春工業(yè)大學 機電工程學院,長春 130012;2. 日本琦玉工業(yè)大學 工學部,日本 埼玉 369-1912)

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基于靈敏度分析的XK719數(shù)控銑床尺寸優(yōu)化*

張疆平1,李想1,賈成閣1,趙希祿2,關英俊1

(1.長春工業(yè)大學 機電工程學院,長春130012;2. 日本琦玉工業(yè)大學 工學部,日本 埼玉369-1912)

摘要:為了改善機床動靜態(tài)特性,以XK719數(shù)控銑床為研究對象,采用Hypermesh軟件建立數(shù)控銑床的有限元模型。在對銑床進行諧響應分析的基礎上,得出機床1、2階固有頻率偏低的結論。運用靈敏度分析來尋找關鍵尺寸,并以關鍵尺寸為設計變量,以機床的質量和1、2階固有頻率為響應進行尺寸優(yōu)化。最終,在銑床質量變化不大的情況下,使銑床的1階固有頻率提高了15.8%,2階固有頻率提高了11.3%。結果表明:該設計方法可以為機床零、部件的設計提供借鑒。

關鍵詞:諧響應分析;靈敏度分析;尺寸優(yōu)化

0引言

隨著社會制造業(yè)的高速向前發(fā)展,機床正向著高速、高效、高可靠性、高柔性化和模塊化的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)意義下的經(jīng)驗類比、靜態(tài)分析的方法已無法滿足當下機床的發(fā)展趨勢。采用模態(tài)分析、諧響應分析等手段對機床的薄弱環(huán)節(jié)進行識別,運用各種優(yōu)化手段對機床進行優(yōu)化,使機床的結構設計趨于更加合理。隨著技術的發(fā)展,各種優(yōu)化方法也層出不窮,如當前的研究熱點:拓撲優(yōu)化[2]、基于響應面[3-4]和基于遺傳算法[5]的優(yōu)化方法。以及發(fā)展比較成熟的尺寸優(yōu)化:如羅輝[6]對立柱進行動態(tài)性能靈敏度分析后,進行了多目標優(yōu)化;郭壘[7]對立柱、滑板進行了結構靈敏度分析后,進行了輕量化設計;羅猛然[8]基于響應面法對床鞍進行了尺寸優(yōu)化;Ming Cong[9]應用六西格瑪分析手段尋找關鍵尺寸,對機床建立了模糊約束和模糊多目標函數(shù),并進行了模糊多目標優(yōu)化。但是,由于機床結構復雜,設計變量繁多,使設計變量與目標函數(shù)、約束之間的關系更加復雜,不利于優(yōu)化,從而導致許多研究人員大多只對單個零件進行分析,很少對機床部件或整機進行分析。本文以XK719數(shù)控銑床為研究對象,基于靈敏度分析方法,采用尺寸優(yōu)化這一比較成熟的優(yōu)化方法對XK719數(shù)控銑床的部件進行有限元分析。

1建立模型

采用SolidWorks軟件建立XK719數(shù)控銑床的立柱和主軸箱的三維實體模型,并將立柱和主軸箱的模型導入Hypermesh中,其模型如圖1所示。

圖1 立柱與主軸箱的三維實體模型

通過軟件的網(wǎng)格劃分工具,對于立柱、主軸箱的四壁以及筋板進行抽殼并采用殼單元進行劃分;對于主軸箱壓板、導軌鑲條等結構采用六面體劃分。由于立柱、主軸箱尺寸及結構特征差異大,因此對其采用不同的尺寸進行劃分。立柱的平均尺寸為20mm,共得到28963個節(jié)點,單元數(shù)目為29236個;主軸箱平均尺寸為10mm,共得到68602個節(jié)點,單元數(shù)目為55311個??紤]到主軸箱壓板、導軌鑲條等六面體單元在內,總計共得131499個節(jié)點,單元數(shù)目為108262個。其有限元模型如圖2所示。

圖2 立柱與主軸箱的有限元模型

2諧響應分析

諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間正弦規(guī)律變化載荷時的穩(wěn)態(tài)響應的一種技術[10]。該正弦規(guī)律的激勵可以是激勵力、激勵位移或者是激勵加速度。且這些激勵可以來自外部環(huán)境,如地基引起的振動;也可以是由于內部情況,如旋轉機械沒經(jīng)動靜平衡檢驗而產(chǎn)生的離心力、往復運動機構的慣性力等。通過諧響應分析可進一步分析結構在多種激勵下所產(chǎn)生的響應,防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。

假設模型在簡諧激勵作用下,系統(tǒng)的運動微分方程為:

(1)

其通解由兩部分組成:

x(t)=xc(t)+xp(t)

xc(t)=e-εwnt(Acoswdt+Bsinwdt)

該(1)式的響應由兩部分組成:xc(t)響應對應的是與結構具有相同頻率振動的那一部分,該響應由于阻尼的存在,其信號會隨著時間逐漸衰減為零,故稱為“瞬態(tài)響應”。xp(t)響應對應的是與外加激勵具有相同頻率的那一部分,它與外加激勵同存亡,故稱為“穩(wěn)態(tài)響應”。

本文基于對動靜態(tài)分析的基礎上(其中結構在靜剛度滿足要求的情況下,對系統(tǒng)進行模態(tài)分析,得1階固有頻率50.17Hz,2階固有頻率為54.63Hz,3階固有頻率為85.68HZ),對主軸箱夾持刀具的中心處施加X、Y、Z向的載荷,其幅值大小均為1000N,在立柱底面螺栓固定處施加全約束??紤]到模態(tài)分析的前7階主振型,其簡諧力設置的頻率范圍為0~100Hz。在此頻率范圍內施加簡諧激勵,該結構的響應曲線圖如圖3所示。該結構由HT300材料鑄造成型,彈性模量E=1.3e5MPa,泊松比μ=0.25,密度ρ=7.4e-9t/mm3。

圖3 立柱與主軸箱部件的諧響應分析

從圖中立柱和主軸箱部件在外加簡諧激勵的作用下可知,刀具中心X軸方向在外加激勵頻率為50Hz時發(fā)生共振,振幅達0.464mm,對應的相位為276.698度,對比結構的固有頻率可知,第1階模態(tài)易在結構的X方向激發(fā)。刀具中心Y方向在外加激勵頻率為55Hz時發(fā)生共振,振幅達0.268mm,對應的相位為259.386度,對比結構的固有頻率可知,第2階模態(tài)易在結構的Y方向激發(fā)。刀具中心Z方向在外加激勵頻率為86Hz時發(fā)生共振,振幅比較小為0.01555mm,對應的相位為261.027度,對比結構的固有頻率可知,第3階模態(tài)易在結構的Z方向激發(fā)。結合加工條件可知,部件的第一、第二階模態(tài)易落入外加激勵的范圍內,即意味著機床在外加激勵的作用下易發(fā)生共振。故接下來的優(yōu)化設計應考慮提高部件的第一、第二階固有頻率。

3靈敏度分析及優(yōu)化設計

3.1靈敏度分析

有限元分析的目的就是為了進行結構優(yōu)化,使結構趨于合理;靈敏度分析能夠為結構優(yōu)化設計做鋪墊。靈敏度分析能夠定量的計算出設計尺寸對性能指標的影響程度,從而尋求關鍵尺寸,為優(yōu)化設計做鋪墊。本次靈敏度分析研究,選取各零件的壁厚、筋板厚作為分析尺寸。各尺寸在結構中的位置簡圖如圖4所示。各分析尺寸對應的名稱、參數(shù)、初值、變化范圍如表1所示。

圖4 尺寸位置簡圖

名稱參數(shù)初值(mm)范圍(mm)立柱筋板厚T11166~26立柱底板厚T124030~50立柱壁厚T132818~38主軸箱22mm筋板厚T412212~32主軸箱30mm筋板厚T423010~40主軸箱前部12mm筋板厚T43128~16主軸箱中部12mm筋板厚T44128~16主軸箱20mm筋板厚T452010~30主軸箱末端20mm壁厚T462010~30主軸箱前端20mm壁厚T472010~30主軸箱25mm壁厚T482515~25主軸箱中部20mm壁厚T492010~30

在對部件施加約束的情況下,利用Hypermesh中的control card sensitivity卡片,以部件的第1、2階固有頻率以及質量作為結構性能指標進行靈敏度分析,得各設計尺寸對結構性能的影響情況如圖5~圖7所示。

在靈敏度的圖中,零刻度線以上表示隨著設尺寸的增加或減小,結構對應的性能值越大或越??;反之,在零刻度線以下,隨設尺寸的增加或減小,結構對應的性能值越小或越大。由圖5可知,T11、T13對質量影響最大,且隨著尺寸增加,質量增加越明顯;T45、T46、T47、T48、T49的影響次之,且它們的值均在零刻度線上;T12、T41、T42、T43、T44對質量幾乎無影響。由圖6知,T11、T13、T47對 第1階頻率影響最大,其中隨著T11、T13尺寸的增加,第1階頻率將提高,同時隨著T47尺寸的增加,第1階頻率將降低;T45、T46、T48、T49的影響次之;T12、T41、T42、T43、T44對第1階頻率幾乎無影響。由圖7可知,T13、T47對第2階頻率影響最大,其中隨著T13尺寸的增加,第2階頻率被提高,而隨著T47的增加,第2階頻率將降低;T11、T45、T46、T49的影響次之;T12、T41、T42、T43、T44、T48對第2階頻率幾乎無影響。

綜合以上分析,本次優(yōu)化設計將以T11、T13、T44、T45、T46、T47、T48、T49作為設計變量,對部件結構進行優(yōu)化設計。

圖5 對質量靈敏度分析

圖6 對第1階固有階頻率靈敏度分析

圖7 對第2階固有階頻率靈敏度分析

3.2優(yōu)化結果分析

在靈敏度分析的基礎上,應用Hypermesh中的Optistruct模塊對部件進行優(yōu)化。在通過多次優(yōu)化實驗基礎上,以T11、T13、T45、T46、T47、T48、T49為設計變量(其中根據(jù)鑄造工藝壁厚均勻的原則,將T46、T48、T49設為關聯(lián)尺寸),得出以下三組方案。方案一:以mass<3,Freq>60為約束條件;以max Freq1為目標函數(shù)。方案二:以mass<3.2,Freq2>65為約束條件;以max Freq1為目標函數(shù)。方案三:以mass<3.2為約束條件;以max Freq1×0.6+Freq2×0.4為目標函數(shù)。通過對以上三種方案進行優(yōu)化,得優(yōu)化結果如表2所示。

表2 優(yōu)化結果

將所得優(yōu)化尺寸進行圓整,并進行模態(tài)析態(tài)分析和諧響應分析,得圓整后的結果如表3和圖8所示(其中方案一為圖8中左上角響應圖,方案二為右上角圖)。

通過表3及圖8分析可知:方案一的1階固有頻率增加10.9%,2階固有頻率增加8.6%,質量增加3.4%,在簡諧激勵的作用下X方向在1階固有頻率處發(fā)生共振,其振幅達0.476mm,增加2.6%;Y方向在2 階固有頻率處發(fā)生共振,振幅達0.308mm, 增加14.9%。方案二的1階固有頻率增加15.8%,2階固有頻率增加11.3%,質量增加14.1%,在簡諧激勵的作用下X方向在1階固有頻率處發(fā)生共振,其振幅達0.428mm,減少7.8%;Y方向在2 階固有頻率處發(fā)生共振,振幅達0.262mm,減少2.2%。方案三的1階固有頻率增加28.2%,2階固有頻率增加19.9%,質量減少24%,在簡諧激勵的作用下X方向在1階固有頻率處發(fā)生共振,其振幅達0.767mm,增加65.3%;Y方向在2 階固有頻率處發(fā)生共振,振幅達0.404mm, 增加50.8%??紤]上述數(shù)據(jù)知,方案一雖然質量增幅不大,但1、2階固有頻率增幅也不大,且在簡諧力作用下振幅變大;方案二,雖犧牲了一定的質量,但1、2階固有頻率都有較大的增幅,且在簡諧力作用下振幅變?。?/p>

方案三,雖然質量大幅減小,頻率可以有效避開實際工作頻率,但由于部件剛度減弱,振幅急聚增大。故綜合考慮,選擇方案二為最優(yōu)化結果。

表3 結果對比

4結論

應用有限元軟件對結構部件進行有限元劃分,通過諧響應分析,發(fā)現(xiàn)機床的1、2階固有頻率有待提高。基于靈敏度分析,得到對機床性能指標關鍵尺寸。將所得關鍵尺寸定義為設計變量,將質量、1階固有頻率以及2階固有頻率作為響應(此處的響應包括約束和目標函數(shù)),對部件進行尺寸優(yōu)化。通過設定多種方案,并對方案優(yōu)選的情況下,得到第二種方案。通過數(shù)據(jù)分析可得,機床在質量變化不大的情況向下,1階固有頻率增加了15.8%,2固有頻率增加了11.3%。結果表明,該設計手段能夠為機床的分析設計提供重要的參考。

圖8 優(yōu)化諧響應分析

[參考文獻]

[1] 王澤林.機床滑動結合面特征參數(shù)識別分析與研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2011.

[2] 杜義賢,嚴雙橋,周俊雄,等.數(shù)控插齒機床的靜動多目標拓撲優(yōu)化設計[J].機械設計,2014,31(6):64-67.

[3] 姜衡,管貽生,邱志成,等.基于響應面法的立式加工中心動靜態(tài)多目標優(yōu)化[J].機械工程報,2011,47(11):125-133.

[4] 王萬金,殷國富,胡騰,等.基于網(wǎng)格變形技術和響應面模型的機床床身優(yōu)化方法[J].組合機床與自動化加工技術,2014(7):5-8.

[5] 申遠,金一,褚彪,等.基于遺傳算法的鍛壓機床多目標優(yōu)化設計方法[J].中國機械工程,2012,23(3):291-294.

[6] 羅輝,陳蔚芳,葉文華.機床立柱靈敏度分析及多目標優(yōu)化設計[J].機械科學與技術,2009,28(4):487-491.

[7] 郭壘,張輝,葉佩青,等.基于靈敏度的機床輕量化設計[J].清華大學學報,2011,51(6):846-850.

[8] 羅孟然,叢明,王德勝,等.基于響應面的數(shù)控機床床鞍尺寸優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術,2014(9):6-10.

[9] Ming Cong,Tao Han,Qiang zhao.FuzzyMulti-Objective Optimization of Sliding Rack Based on Six Sigma and Goal Driven[J].Mechanic Automation and Control Engineering,2010:556-559.

[10] 李濤,馬春翔. MB4250-2高精度立式珩磨機床動態(tài)特性分析[J].機械設計與制造,2008(11):163-165.

[11] 楊玉萍,張森,季彬彬,等.龍門加工中心橫梁關鍵尺寸靈敏度分析與優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2013,35(8):110-113.

[12] 邱海飛.數(shù)控機床床身結構動力學優(yōu)化與諧響應分析[J].現(xiàn)代制造工程,2014(4):52-56.

[13] 周德繁,高炳微,智政.重型龍門鏜銑床橫梁有限元分析與結構優(yōu)化[J].哈爾濱理工大學,2013,18(2):72-76.

[14] 于海蓮,王永泉,陳花玲,等.響應面模型與多目標遺傳算法相結合的機床立柱參數(shù)優(yōu)化[J].西安交通大學學報,2012,46(11):80-85.

[15] 張勇,李光耀,鐘志華,等.基于移動最小二乘響應面方法的整車輕量化設計優(yōu)[J].機械工程學報,2008,44(11):192-196.

[16] G Gary Wang.Adaptive Response surface Method Using Inherited Latin Hypercube Design Points[J].Journal of Mechanical Design,2003,125(2):210-220.

[17]關英俊,趙揚,任利利,等.XK2425/5L五軸龍門銑床主體結構有限元分析[J].組合機床與自動化加工技術,2010(12):5-9.

(編輯趙蓉)

Size Optimization of XK719 CNC Milling Machine Based on Sensitivity Analysis

ZHANG Jiang-ping1, LI Xiang1,JIA Cheng-ge1,ZHAO Xi-Lu2,GUAN Ying-Jun1

(1.School of Mechatronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China;2.Department of Engineering,Saitama Institute of Technology,Saitama 369-1912,Japan)

Abstract:In order to improve static and dynamic characteristics of machine tools,hypermesh software was adopted to establish the finite element model of CNC milling machine with the XK719 CNC milling machine as the research object.On the basis of the harmonic response analysis for milling machine,it was concluded that the first and second natural frequency were low.Using the method of sensitivity analysis found the key dimensions.And the size optimzation was carried out where the key dimensions was defined as design variables and the mass of the machine tool,the first natural frequency and the second natural frequancy were defined as responses.Finally,under the conditions of little change of milling machine’s mass,this method made the first natural fraquency increased by 11.5% and the second natural frequancy increased by 11.3%.Results showed that the design method provided reference for the design of the parts and components.

Key words:harmonic response analysis;sensitivity analysis;size optimization

中圖分類號:TH122;TG659

文獻標識碼:A

作者簡介:張疆平(1990—),男,江蘇張家港人,長春工業(yè)大學碩士研究生,研究方向為CAD/CAM及結構優(yōu)化設計,(E-mail)1791874561@qq.com;通訊作者:關英俊(1978—),男,滿族,吉林永吉人,博士,長春工業(yè)大學副教授,碩士生導師,研究方向為機械CAD/CAE及結構優(yōu)化,(E-mail)gyj5460@sohu.com。

*基金項目:教育部"春暉計劃" 資助項目(20130012)

收稿日期:2015-04-11;修回日期:2015-05-10

文章編號:1001-2265(2016)02-0005-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.002