毕业设计（论文）-基于APDL语言的机床滑枕结构优化设计.doc

全套图纸加扣 3012250582编号： 毕业设计说明书题 目：基于APDL语言的机床滑枕结构优化设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机制教研室 姓 名： 职 称： 副教授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2009年6月1日摘 要在我国制造业高速发展的背景下，高速精密数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统，尤其是关键部件设计制造，本文研究的主要内容是用有限元的方法，用ANSYS自带的APDL语言对机床主轴滑枕的刚度进行优化。本文首先分析了机床制造业中关键技术的不足，提出了本次优化的方向，以及优化所要达到的指标。本次优化设计大致由建立模型、优化分析、优化这三个主要部分组成。模型部分采用尺驱动和变量驱动相结合的方法来构造模型；分析了滑枕在切削力作用下的变形，明确优化方向；用零阶方法进行优化设计，改善结构刚度。所有过程都采用APDL语言实现。在文章最后还列举分析了优化过程中的各种参量变化，对滑枕的影响。最后对本次研究进行了总结，并对进一步改善机床加工精度的研究方向提出了自己的一些看法。关键词：CAE；主轴滑枕；有限元；结构优化；ANSYS；APDLAbstractAs a rapid development of Chinas manufacturing industry, the weak link of high-speed precision CNC machine tool has transferred to the mechanical systems from the numerical control system, especially the design and manufacture of key components. The main contents of this paper is getting the stiffness of ram optimization design with the FEA method based APDL language.First of all, this paper analyze the week of key technology in the machine tools manufacturing industry. Then put forward the direction and the aim of the optimization. The optimization design contents three important parts create the model, optimization analyze, optimization. The model is created with the Size-driven and variable-driven method; analysis the deformation of the ram under the cutting force, make the direction to optimization clearly; optimization design based the zero-order method, improve the Stiffness of the ram. All the work is descried by the APDL Language.At the last of the paper list and analyze the diversification of every parameter which affects the deformation of the ram .In the end, there are some summarization about the paper, I advice some study direction to improve the machining accuracy of the machine tool.Keywords：CAE; Spindle ram; Finite element analysis; Structural optimization; ANSYS; APDL目 录1.绪论11.1.研究背景11.2.研究意义21.3.研究内容21.4.研究方法介绍31.5.ANSYS软件介绍51.6.APDL语言介绍72.滑枕建模82.1.材料定义82.2.单元定义82.3.滑枕模型描述82.4.建模92.5.建模实施112.6.网格划分163.求解及后处理193.1.施加加约束193.2.施加载荷203.3.分析方法类型213.4.结果查询223.5.查询结论233.6.改进方案243.7.改进方案评价244.优化244.1.优化定义244.2.优化中的基本概念254.3.变量选择274.4.优化方法与优化工具选择305.优化结果处理325.1.优化结果查询325.2.优化结果分析356.结论37谢辞38参考文献39全套图纸加扣 3012250582 第 39 页 共 43 页1. 绪论1.1. 研究背景机床是制造装备的工作母机，我国是世界第一机床消费大国，同时也是最大的机床进口国。自2005年以来，我国机床年产量以平均20%的速度增长，但国产高速精密机床在国内市场的占有率却逐年下降。2006年，我国国内机床总消费为129亿美元，其中进口机床71亿美元。高速精密机床的进口比例更高达90%。西方发达国家在输入技术的同时设置了严密的技术壁垒，“拿来主义”不能形成企业的核心竞争力。因此，发展独立、强大的机床设计制造技术刻不容缓。虽然在近几年来我国的机床发展规模大，技术发展神速，但其中不乏存在一系列的问题。1、术水平低近年来，我国机床生产一直保持两位数增长。2002年产量居世界第四。但与发达国家相比，我国机床数控化率还不高，目前生产产值数控化率不到30 ；消耗值数控化率还不到50 ，而发达国家大多在70 左右。高档次的数控机床及配套部件只能靠进口。国产数控车床到2000年可供品种为700多种，接近数控机床品种的50 ，其中占产量70 的是经济型数控车床。此外，外观、漏油等老问题也与工业发达国家产品有差距。2、能部件有差距功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等，它们是数控床的重要组成部分。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。相对数控机床主机来说，我国功能部件生产企业的发展更显滞后。功能部件不仅决定着机床的整机性能，还占到整机成本的60 左右，其发展状况直接关系到机床的竞争力水平。随着高速切削技术的发展，机床设计制造技术在最近的几十年中取得了惊人的进步。新颖的机械结构系统使现代数控机床运动速度提高5-10倍，与此相应它的性能要求也提高了很多倍，这就使得我国高速精密数控机床的设计制造水平与国际先进水平的差距进一步拉大。主要表现在：可靠性差、应变能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士意识到我国高速精密数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系统，尤其是关键部件设计制造。但是，国内机床制造企业普遍采用传统的经验设计和实验相结合的手段，周期长、效果差、耗费大量人力财力。而国外机床设计制造技术越来越多地利用计算力学、计算机仿真技术、控制技术、优化技术、信息技术最新成果，通过动态优化设计，新颖而性能稳定的机床关键部件结构型式不断涌现。1.2. 研究意义发展独立、强大的装备制造技术刻不容缓，是实现向“制造强国”跨越的必由之路。开发高速、高效率、高附加值的精密机床更是这条路的目标。与国外同类机床相比存在的关键部件结构笨重、效率低下、精度不高等问题。这些差距体现了我区乃至我国在高性能机床设计制造方面的发展现状。设计制造技术与制造工艺水平的突破离不开基础科学理论的支持，譬如复杂工况条件下多物理场对静压导轨与主轴性能影响，作用机理及其对最终产品功能的影响规律，设计制造过程中物理信息和非物理信息的获取、传递及其发展与演化规律等等。高精、高效、高可靠性是高性能机床设计制造的永恒主题，亦是现代数控装备最显著的特点，而机床关键部件振动、噪声、稳定性、热变形等动态性能是其最关键的指标。主轴滑枕是机床中一种必不可少的通用零部件，亦是影响机床工作性能的薄弱环节。对于数控镗铣床， 方滑枕结构被广泛采用， 机床结构特点为固定式床身， 工作台移动， 滑枕沿立柱导轨横向移动。滑枕的精度直接影响机床的加工精度。方滑枕作为重要工作部件， 需要伸出及回缩移动，由于其重量很大， 滑枕的移动会使立柱前后两条导轨受力不均， 并因自重会使它产生弯曲变形， 从而产生了滑枕的低头现象。这严重地破坏了机床的几何精度，也会使机床呈现出非均匀磨损。对于生产制造企业以及数控机床而言，要考虑精度、经济性、效率问题。解决滑枕低头现象后能够提高产品的质量，提高产品的竞争力，为产品拓展市场提供技术保障。1.3. 研究内容针对机床主轴关键部件滑枕进行结构优化设计。采用ANSYS软件自带的APDL语言，建立高速数控机床主轴滑枕实体分析参数化模型，并对其在滑动轴承支撑下结构刚性进行优化设计，求出刚性最大的结构型式。本文就滑枕的变形和结构优化提出一种解决方案。利用有限元软件ANSYS进行准确的滑枕变形分析，避免经验估算误差，减少费时费力的现场反复实验，是一种高精度、较经济而有效的方式。就机床主轴滑枕而言，运用有限元分析方法研究了数控卧式铣床滑枕静态变形。1.4. 研究方法介绍1.4.1. 有限元分析 (1)有限元分析思想有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 (2)有限元发展有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的计算思想早在 20 世纪 40 年代就提出了。1943 年 Courant 在一篇论文中就提出用一组三角形单元和最小位能原理研究了 St.Venant 的扭转问题。但真正用以解决工程中的数值计算问题是在上世纪 50 年代电子计算机出现以后，1956 年Truner、Clough、 Martin和Topp 发表了在结构力学采用有限元方法的第一篇论文，但当时还没有“有限元方法”这个名称。“有限元方法”（Finite Element Method）这个名称， 是 1960 年 Clough在一篇结构分析的计算论文中首次明确提出的。在我国，上世纪60年代初期冯康等人独立地建立了有限元方法的数学理论并应用于工程实际问题。自从那时候起，不论国际还是国内，随着高速电子电子计算机的日益广泛的应用，有限元方法得到广泛的发展。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视， 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。从“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则或不规则的单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。1.4.2. 最优化设计(1)优化介绍近年来能源的危机和产品的竞争越来越激烈，如何减少能源消耗、降低生产成本和提高产品品质，已成为一个非常重要的课题。最优化设计出了可以降低制造成本和减少能源损耗，也能改善产品外形、提高产品品质。因此最优化设计概念已经逐渐受到工业的重视，下面对最优化的设计做简要的概括。1、减少零件制造时所需的材料，来降低制造成本和运输成本2、材料的减少，使得产品的整体重量大幅度减低；相对的也能达到环保的目的。3、低应力、增加结构强度。4、状的最优设计最终可以减少材料，同时还可改善产品的外形，更受消费者喜欢。5、优化的设计过程是由计算机自动执行控制，不再依赖大量的人工结构分析，减少产品设计过程中，不断重复设计消耗的时间，大大缩短产品开发的时间。优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的 CAE 方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE 计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使 CAE 中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。以上就是 CAE 方法中的优化处理过程。(2)优化组成一个典型的优化过程通常需要经过以下的步骤来完成： 1、数化建模：利用 CAD 软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。 2、AE 求解：对参数化 CAD 模型进行加载与求解 3、处理：约束条件和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。 4、化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、约束条件、状态变量及目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。 5、据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。本篇文章研究的目的就是，在变形量允许的范围内使得施加的的力最大，而滑枕的结构重量在允许的范围内。1.5. ANSYS软件介绍1.5.1. ANSYS概况ANSYS程序是由美国SASI公司世界著名的力学分析专家Dr. Swanson率领科技人员多年研究开发的、世界上颇有影响的大型通用有限元分析软件。它以高的性能价格比和较好的解题广度与深度，广泛用于航空航天、汽车、造船、机械制造、铁道、电子、一般工业及科学研究的各个领域，极强的分析功能覆盖了许多工程问题。建模结果评价加载求解通用后处理定义分析类型选项定义作业名和分析标题时间历程后处理加载定义单元类型定义载荷步定义单元实常数求解建立几何模型定义材料特性图2-1 ANSYS计算分析过程近几年进入我国并以每年20%的增长率进入高等院校和科研单位。由于其适用面广，使用方便，既可用于个人计算机，又可用于大中型机和巨型机，支持多种操作系统和众多的图形设备，特别是前后处理简单方便，中间计算分析快捷，深受使用者的欢迎。ANSYS计算分析过程主要分三部分完成，即建立模型、加载求解及结果评价，具体流程图如图2-1所示。1.5.2. ANSYS优点1、与 CAD 软件的无缝集成能与通用 CAD 软件的集成使用，即在用CAD 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到 CAE 软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求。2、强大的网格处理能力 强大的自适应性网格划分能在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。ANSYS在一定程度上解决了这一难题。3、适用线性与非线性问题许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，因此SASI公司加大投资力度在非线性分析求解上，例如薄板成形考虑的结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料的塑性、蠕变效应等等。一些列问题描述使得ANSYS在各个领域都有很大的应用。4、适用于耦合场问题的求解 由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即“热力耦合”的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，ANSYS能完成在结构非线性、流体动力学、热力学等耦合场的求解。5、程序面向用户的开放性ANSYS给用户提供了一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。还有无所不能的参数化设计语言APDL，该语言具有参数、数学函数、宏（子过程）、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程控制语言；她的前后处理及求解数据库的统一性及不同平台数据库兼容的特点使她很适合于进行高级的优化分析1.6. APDL语言介绍APDL的全称是ANSYS Parametric Design Language，是一种参数化设计语言。可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据来建立模型，不仅是优化设计和自适应网格划分等ANSYS经典特性的实现基础，也为日常分析提供了便利。有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。特别是当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很昂贵和浪费时间。APDL用建立智能分析的手段为用户了自动完成上述循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。它允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如，几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等，扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化。为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。它实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。从ANSYS命令的功能上讲，它们分别对应ANSYS分析过程中的定义几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行求解和后处理计算结果等指令。用户可以利用程序设计语言将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。2. 滑枕建模2.1. 材料定义滑枕材料为球墨铸铁QT600-3A，通过先关资料差得其密度为，泊松比0.3，弹性模量210GPa则描述语句为：MPDATA,DENS,1,7.89e-9 /定义密度MPDATA,EX,1,2.1e5 /定义弹性模量MPDATA,PRXY,1,0.3 /定义泊松比2.2. 单元定义单元的选择对于后续处理有着及其重大的意义，好的单元选择能够使得课题的分析更加接近真实状态，ANSYS自带相当多的单元类型如：beam系类、shell系类、solid系类。由于本次研究是面向实体，所以就在solid系类里选择。Solid45单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x,y,z;方向平移的自由度。体结构图如下所示：图4-1 Solid45单元结构该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，从需要上讲已经能够满足本次研究的需要。2.3. 滑枕模型描述龙门铣床主轴滑枕如图1所示，该滑枕工作状态为：伸出滑座1000mm，使用直径200mm的刀盘，承受切削扭矩1595Nm，环境温度15，电机与传动箱发热的温升为40。滑枕材料为球墨铸铁QT600-3A。要求加工时主轴滑枕变形量小于0.02mm。图5-1 龙门铣床主轴滑枕实体模型2.4. 建模有限元模型建立的好环关系到分析计算的准确性和计算成本。一般而言，可采用三维CAD软件建立待分析结构的三维实体模型，然后通过初始图形交换规范 (Initial Graphics Exchange Specification，IGES) 导入有限元分析软件中，然而，对复杂模型而言，该方法基本上不能成功。因此，使用较多的利用有限元分析软件本身的建模功能，忽略细节信息，获得具有几何近似性的求解模型。2.4.1. 参数化设计思想一直以来，机械设计师就梦想着利用计算机实现机械设计的自动化，即CAD系统能自动捕捉设计者的设计意图，在保持拓扑信息不便的情况下，能灵活实时地改变有关几何信息，实现对设计过程的智能化、自动化支持。机械设计过程的复杂性、多样性和灵活性要求设计自动化必须走参数化的路子。参数化设计就是将模型中的定量信息变量化，用灵活可变的参数来表示。对变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。得用参数化设计技术进行产品设计可以十分容易地修改图形，并能将以往某些产品设计的经验和知识继承下来。设计者可以把时间、精力集中于更具有创造性的概念和整体设计中去。这样就可以充分发挥创造力，提高了设计的精度和设计的效率。在CAD系统中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件结构的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如尺寸距离、角度尺寸，半径尺寸等。工程约束是指尺寸间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们在数值和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不便参数。参数化设计的本质是可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。2.4.2. 滑枕参数化建模方法介绍及选择到目前为止，国内外对参数化技术做了大量的研究工作中，具有代表性的方法有如下几种：1、 变动几何法 80年代初，R. A. Light等人系统地提出了变动几何理论，该理论把二维图形中的尺寸信息与图形信息联系起来，用尺寸来约束图形。该方法第一次系统地将尺寸信息与图形联系起来，突破了孤立定义图形方法的局限，将尺寸作为图形的约束条件引入，从而为二维、三维图形的参数化设计奠定了基础。但该方法只用于尺寸本身约束图形，设计结果的修改会出现不确定性。2、 几何推理法 BAldefeld，HSuznki等人提出的几何推理法，是通过一系列规则和推理明确给定约束中所隐含的信息，（AI）和几何推理从已知条件中求解未知参数。推理如图事实库推理机推理构造计划规则库图5-1 几何推理示意图该方法因把作图规则拆散成繁琐的约束谓词，所以存在系统庞大、运算速度慢、对某些约束问题无法求解等问题，因此，不能适应和实现交互作图的需要。3、 DRller的变量设计DRller的变量设计力求在设计过程中同步建立结构图形约束，当整个图形的几何定义完成以后，意味着约束关系的完成。该方法从多方面、多角度、多准则引进约束条件，这样才能使计算机生成的图形满足多方面、多层次的需要，完全实现参数化设计。这种方法也是在目前参数化设计中的普遍采用的参数化建模方法。本文采用第三种方法以ANSYS为平台对滑枕进行三维参数化设计。在参数化建模的过程中，本文对滑枕的在维参数化模型的设计主要采用发下方法。尺寸驱动：给滑枕的几何轮廓加上尺寸，同时明确滑枕轮廓上的各线段之间的约束关系，计算机可以根据这些尺寸和约束关系控制滑枕轮廓的位置、形状以及大小。当在设计的过程中改变轮廓尺寸数值的大小，滑枕轮廓将随之发生变化，因此在设计过程中一旦明确了滑枕的设计尺寸，计算机就会把这个设计尺寸所体现的零件大小和位置信息直观的反馈回来，为滑枕的设计提供依据。变量驱动：变量驱动也叫变量化建模技术。变量驱动是将所有的设计要素如尺寸、约束条件、工程计算条件甚至名称都视为设计变量，同时定义这些变量之间的关系式以及程序逻辑，提高设计的自动化程度。本文是以滑枕的长度尺寸和直径尺寸作为驱动尺寸，通过建立它们与滑枕的其他设计变量之间的逻辑关系式，用不反映滑枕的各个尺寸或参数之间的数学关系，它本质上反应了设计者的专业知识和设计意图。关系式像约束尺寸关系一样，当关系式发生变化以后，滑枕的几何模型也将发生变化，因此可以通过这些关系式来驱动滑枕整体结构造型的设计。在本文中如果改变滑枕主要特征参数，即滑枕长度或者直径尺寸，那其他的与其相关设计变量也随之改变，也就是滑枕的整体三维造型随之改变。通过变量驱动进一步扩展了尺寸驱动这一技术，为设计对象的修改增加了更大的自由度，大大的提高了设计的效率和质量。本文在滑枕三维参数化建模过程中采用尺寸变量驱动与变量驱动相结合的方法，以滑枕的主要几何参数即滑枕长度作为驱动尺寸，建立驱动尺寸与滑枕其他设计变量之间逻辑和数学关系式。2.5. 建模实施在上节的讨论中决定采用DRller的变量设计来实施机床滑枕的建模，由于研究是面向滑枕的形变的基础上的，所以在在建立模型过程中对模型进行了简化， 螺纹、 键槽等做了一些忽略。用ANSYS软件，利用点、线、面、体的模型生成方法，编写求解命令流文件，生成滑枕模型。尺寸驱动：本建模中的尺寸约束表现在（1）滑枕的长度；（2）滑枕的宽度；（3）滑枕单元大小。变量驱动：为避免建模中重复性的建设，设置相关的变量使模型的建立达到简洁化、稳定性以及为下面的分析做铺垫，现定义如下变量：表5-1 相关参数含义参数XDSDBTHKDZ代表含义滑枕滑槽下表面Y值滑枕滑槽上表面Y值滑枕筋板的厚度滑枕上表面的斜度不同Z面的数值就现行工作情况而言，以上参数分别赋值如下：XD=15SD=17BTH=10KD=10Z=0由于机床滑枕是个对称实体，节省计算机计算资源，本研究通过构造半边模型来完成对滑枕描述，再通过APDL自带的镜像语言vsymm复制另一个相对于轴对称的体，然后用VADD把所有体相加形成一个完整的滑枕整体。构造点：/构造模型内部点k,1,0,-135,0k,2,95,-135,0k,3,95,-110,0k,4,110,-110,0k,5,110,-135,0k,6,145,-135,0k,7,200,-195,0k,8,270,-195,0k,9,270,-50,0k,10,185,-50,0k,11,185,-35,0k,12,225,-35,0k,13,225,30,0k,14,275,60,0k,15,275,120,0k,16,235,120,0k,17,235,135,0k,18,275,135,0k,19,275,291,0k,20,0,291,0/构造模型外部点k,31,0,-165,0k,32,130,-165,0k,33,185,-220,0k,34,295,-220,0k,35,300,-215,0k,36,300,-XD,0k,37,255,-XD,0k,38,255,SD,0k,39,300,SD+KD,0k,40,300,306,0k,41,290,316,0k,42,0,316,0关键语句注释：K,NPT,X,Y,Z命令是建立关键点操作NPT关键点序号X,Y,Z关键点在各个轴上对应坐标完成构造点如下图：图5-2 构造点的分部图构造线：/构造体内边界线LSTR,1,2 !线 1LSTR,2,3LSTR,3,4 !线 3LSTR,4,5LSTR,5,6 !线 5LSTR,6,7LSTR,7,8 !线 7LSTR,8,9LSTR,9,10 !线 9LSTR,10,11LSTR,11,12 !线 11LSTR,12,13LSTR,13,14 !线 13LSTR,14,15LSTR,15,16 !线 15LSTR,16,17LSTR,17,18 !线 17LSTR,18,19LSTR,19,20 !线 19/构造体外轮廓线LSTR,31,32 !线 20LSTR,32,33LSTR,33,34 !线 22LSTR,34,35LSTR,35,36 !线 24LSTR,36,37LSTR,37,38 !线 26LSTR,38,39LSTR,39,40 !线 28LSTR,40,41LSTR,41,42 !线 30/连接体内与体外线LSTR,20,42LSTR,1,31 !线 32关键语句注释：LSTR,P1,P2命令是连接两点线操作P1连接的起始点P2线的终结点得到的线图如下所示：图5-3 线的形成构造面：FLST,2,32,4FITEM,2,1FITEM,2,2 /省略线3-31的列举FITEM,2,32AL,P51X /生成面关键语句注释：1.FLST命令是APDL的操作拾取命令，总是与FITEM命令一起用FLST,2,32,42表示拾取项作为后面命令的第一个条件32表示拾取32个项目即32条线4 表示拾取的目标类型是直线2.FITEM拾取语句FITEM,2,12表示拾取项作为后面命令的第一个条件1表示拾取单元的标号，本次操作一直延伸到到线32的处理3.AL此命令由已知的一组直线（L1,L10）围绕成面（Area）AL,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10由于上面的拾取语句已经把所有拾取的线组成一个数组，在默认以上的状况下省略线的列举用P51X语句来表示线的列举。则生成的面图如下：图5-4 构造面初始图通过一系列的，点、线、面得构造，以及各个面之间的相加相减最后得到滑枕模型如下所示：图5-6 最终生成滑枕图2.6. 网格划分2.6.1. 网格划分注意问题网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度，在形状结构优化问题中,循环之间有限元网格是变化的,如果网格划分不合理，循环可能会中断，尤其在网格剖分是采用总体单元尺寸控制且结构复杂处采用不规则实体单元时更易出现。在单元尺寸控制时通过用参数方式指定网格划分数或网格大小，以便循环中可以正确改变单元尺寸。由上面论述的过程中选择solid45是满足网格划分的需要的。2.6.2. 网格划分的方法1、自由网格划分自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及选择分网算法等（MOPT命令）。对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率降低。2、映射网格划分映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法，其原始概念是：对于面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成的单元全部为四边形；对于体，只能是六面体，对应线和面的网格划分数保持一致；形成的单元全部为六面体。对于三维复杂几何模型而言，通常的做法是利用ANSYS布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好的体进行映射网格划分。当然，这种纯粹的映射划分方式比较烦琐，需要的时间和精力较多。3、拖拉、扫略网格划分对于由面经过拖拉、旋转、偏移（VDRAG、VROTAT、VOFFST、VEXT等系列命令）等方式生成的复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳（或MESH200）单元形式的面网格，然后在生成体的同时自动形成三维实体网格；对于已经形成好了的三维复杂实体，如果其在某个方向上的拓扑形式始终保持一致，则可用（人工或全自动）扫略网格划分（VSWEEP命令）功能来划分网格；这两种方式形成的单元几乎都是六面体单元。通常，采用扫略方式形成网格是一种非常好的方式，对于复杂几何实体，经过一些简单的切分处理，就可以自动形成规整的六面体网格，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。4、混合网格划分混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映射、扫略等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。混合网格划分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。5、利用自由度耦合和约束方程对于某些形式的复杂几何模型，可以利用ANSYS的约束方程和自由度耦合功能来促成划分出优良的网格并降低计算规模。6、利用子区模型等其它手段子区模型是一种先总体、后局部的分析技术（也称为切割边界条件方法），对于只关心局部区域准确结果的复杂几何模型，可采用此手段，以尽量小的工作量来获得想要的结果。该方法的另外好处是：可以在小模型的基础上优化（或任意改变）所关心的细小特征，如改变圆角半径、缝的宽度等；总体模型和局部模型可以采用不同的单元类型，比如，总体模型采用板壳单元，局部模型采用实体单元等。2.6.3. 网格方法选择方法一此种方法简单易行，法省时省力而且能够调节网格大小，可能在计算时比较浪费计算机资源。方法二纯粹的映射划分方式比方法一则更加繁琐，需要的时间和精力也更多，可行的是利用布尔运算功能，将其切割成一系列四、五或六面体，然后对这些切割好的体进行映射网格划分，这样对于计算机的资源有了很大的节省，但是由于模型显得较复杂，进行布尔运算会使网格划分前续工程显得巨大。方法三滑枕模型构造虽是通过面的拉伸而成，但当中也有相关布尔操作，若只是从单纯的拖拉、扫射显然不能够整个体得到划分，若在体壳上生成单元格，由于筋板的存在也不能完全将其网格化。方法四混合网格划分需要多种方法的整合，能够优化计算机资源的使用率，但是需要考虑方面过多，也会让网格划分的前期准备工作变得复杂化。方法五、方法六适用于超大复杂模型的划分，对于本研究的模型虽有点复杂，但使用方法一还是比较方便的将其划分，在计算机资源利用方法也能得到一定节省。故综合比较还是选择方法一利用自由网格划分方法将滑枕模型划分：SMRT,8 MSHAPE,1,3DMSHKEY,0相关语句注释：SMRT,8划分网格智能化等级语句8表示智能划分网格等级为8级MSHAPE,KEY, DIMENSION 指定单元形状KEY: 0 四边形（2D），六面体（3D）1 三角形 (2D), 四面体(3D)DIMENSION: 2D 二维 3D 三维MSHKEY, KEY 指定自由或映射网格方式KEY: 0 自由网格划分1 映射网格划分2 如果可能的话使用映射，否则自由通过以上语句的录入，计算计算机运算时间在30秒左右，划分网格为68939个，证明网格划分在资源利用方面是达到要求的，对于模型的8级智能划分在以后的优化循环基本上能够满足，划分后的模型如下图：图6-1 生成网格划分图3. 求解及后处理3.1. 施加加约束滑枕的工作状态，使得滑枕滑槽不是全部都有自由度约束，其悬伸端并无任何约束，故所有约束来自机床导轨对于非悬伸的1500mm部分。其施加约束语句为：DA,P51X,UX,DA,P51X,UY,DA,456,UZ,DA,1134,UZ,语句注释：DA，AREA,Lab,Value1,Value2在面上定义约束条件。AREA为受约束的面号Lab受自由度约束的形式 UX施加X方向约束 UY施加Y方向约束 UZ施加Z方向约束建模过程中由于筋板的构造，使得拉伸出来的体面变得分散，所以在施加约束时候就要通过相关面拾取生成数组51X。在滑枕456和1134相对轴对称的两个面在工作时还受到Z方向的约束。通过相关拾取与施加得到滑枕在工作的情况下的约束如图所示：图7-1 滑枕受约束图3.2. 施加载荷根据滑枕的工作状态，滑枕在工作时直径为200mm的刀盘承受的扭矩为1595Nm，为以后优化研究方便需乘以一定的安全系数，根据经验取系数为2。拾取施加的力的位置，施加相应的力，到达受力状况如图所示：图7-2 滑枕受力示意图相应施加力APDL语言为：FK,P51X,FY,7975*2FK,P51X,FY,-7975*2语句注释：FK,KPOI,Lab,VALUE1,VALUE2在指定节点加集中荷载KPOI受点的号码Lab施加力的方向VALUE外力的值3.3. 分析方法类型目前，解决大型设计多依据静动态设计法，通过动载系数来保证设计的可靠性。静力分析计算在固定不变的载荷作用下的结构静态响应，它不考虑惯性和阻尼的影响如结构随时间变化载荷作用的情况。可是静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷和对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化的载荷。静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：（1） 外部施加的作用力和压力（2） 稳态的惯性力（3） 强迫位移（4） 温度载荷（5） 流能 由于本次分析研究的是滑枕的刚度，在上文的论述中已经在力的施加中计入了动载安全系数=2，对称的切削力可以近似认为作用力随时间无变化，故使用静态分析。/SOL/STATUS,SOLUSOLVE就可以完成滑枕在计算变形方面的求解。其语句自上而下解释为：1. 进入求解器2. 定义求解类型为静态3. 开始求解3.4. 结果查询本次研究的目的就是优化滑枕的结构刚度，