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)進行有限元靜態(tài)性能分析，之后再建立優(yōu)化模型，并進行拓撲優(yōu)化分析，最后分析優(yōu)化結(jié)果，從而設(shè)計出改進結(jié)構(gòu)，并與原結(jié)構(gòu)進行性能對比。結(jié)果表明，通過拓撲優(yōu)化結(jié)果設(shè)計的改進結(jié)構(gòu)在強度、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；拓撲優(yōu)化；有限元；強度；剛度

中圖分類號：TH16；TP20 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

大型加工中心在切削載荷、電機等因素的影響下會發(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)計至關(guān)重要。在拓撲優(yōu)化概念出現(xiàn)前，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計往往很困難，只能根據(jù)經(jīng)驗以及反復(fù)實踐修正得到?，F(xiàn)在，我們可以根據(jù)優(yōu)化目標，通過拓撲優(yōu)化的理念，在短時間內(nèi)得到最優(yōu)的設(shè)計方案。拓撲優(yōu)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了方向。

1 建立力學(xué)模型

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

1.1 滑臺、橫梁力學(xué)模型

加工中心滑臺、橫梁之間采用線軌連接，使用單絲杠驅(qū)動。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)模型及載荷計算結(jié)果，施加邊界條件和載荷，計算結(jié)果如圖3、圖4所示。橫梁靜力求解結(jié)果見表1所列。

3 拓撲優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標

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

3.2 拓撲優(yōu)化

以滑枕部件位于滑臺上、下極限位置切削時的加權(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，進行橫梁結(jié)構(gòu)拓撲優(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)進行綜合載荷結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，得出的結(jié)果如圖6所示。

4 改進結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 方案設(shè)計

依據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，整個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

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

橫梁前十階固有頻率ANSYS計算結(jié)果見表3所列。

可見，改進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)計方案與原始方案的比較，我們認為如上改進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離床身振動源的頻率，因此橫梁的抗振性能得到增強。綜合上述因素，改進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。

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