【《基于整机拓扑优化结果的机床大件结构设计案例》2200字】

基于整机拓扑优化结果的机床大件结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u663基于整机拓扑优化结果的机床大件结构设计案例 1106131.1立柱结构优化设计 1303491.1.1立柱结构外轮廓设计 1220451.1.2立柱内部结构设计 3325291.1.3立柱优化结构模态分析及对比 663291.2床身结构优化设计 730471.2.1床身外轮廓设计 7145561.2.2床身内部结构设计 824741.3小结 91.1立柱结构优化设计1.1.1立柱结构外轮廓设计本章将对上一章中确定的拓扑优化结构进行拆解，对其中的立柱和床身部分进行进一步结构优化与重建工作。首先是立柱，将立柱从图4.6所示的模型中以床身平面为基准面切开，得到如图1.1所示左侧模型，并借助Spaceclaim模块中的测量工具测量结构特征的基本尺寸，再使用SolidWorks重建立柱外轮廓模型，重建的模型如图1.1右侧图片所示。图1.1立柱概念模型与重建模型对两模型进行自由模态分析，结果如下:表1.1立柱概念模型与重建模型自由模态对比模型名称立柱概念模型立柱重建模型各阶自由模态频率1630.08639.762728.96726.073988.91984.4141040.71040.2512841181.161332.31250.271627.81546816861663.791743.51751.21018121772.1111901.51948.7122030.91982.9132098.32014.3142386.62241.8从表1.1中的自由频率对比可以看出，重建后的立柱主体模型与优化模型的动态特性基本一致。至此，立柱的外轮廓模型得到确定，但是无论是从制造工艺还是经济性、结构合理性方面来看，立柱内部结构必定不是实心材料，因此下一小节将对立柱内部材料布置进行研究。1.1.2立柱内部结构设计在设计内部材料布置前需挖空立柱模型，参考原型机图纸保留壁厚为14mm。原立柱内部筋板布局如图1.2所示，前后面板为#字型筋板，两壁为横条型筋板，筋板厚度为12mm。图1.2原立柱内部筋板布局首先模仿原型机床并参考前人设计经验设计了三种筋板布置方式，均是从立柱两壁延伸至中间，筋板厚度均为16mm，三种方案的初步分析结果如表1.2所示。表1.2三种筋板结构的模型自由模态对比截面形状各阶自由模态频率由以上表格数据可以得知，三个筋板布置方案中方案二的低阶固有频率最高，且由于材料最少而总质量最小，因此将其作为下一步优化对象。在进行立柱内部筋板布置时，对筋板的厚度与长度进行了不同方案的设计与验证，最终确定筋板厚度为16mm，从两壁开始向中间拉伸高度为180mm，且在两侧壁挖出相应的三角形减重孔时结构的自由模态固有频率最高。同时考虑到立柱在完整装配时主轴箱部分的重量也将较大程度影响其动态性能，因此在前后面板也增加了筋板。此时模型结构尚未加入与床身相连接的结构及Y轴拖动，主体结构如图1.3左侧图形，增加了连接结构并对减重孔进行圆角处理后的模型请见1.3右侧模型。图1.3优化后立柱模型图1.1.3立柱优化结构模态分析及对比完整立柱模型的自由模态分析结果及与原机床模型的对比结果如表1.3所示。表1.3优化后立柱模型与原模型自由模态对比第i阶模态原立柱优化模型各阶自由模态频率1381.51437.672409.54461.173453.59540.024501.75649.65538.5671.696542.86701.27590.57732.138599.69741.349659.77762.6510701.09779.211702.57796.6912729.65799.6613751.47824.5514776.3827.09优化百分比+13.5%从这一表格可以得知，当仅考虑立柱主体结构的动态性能时优化后的结果的各阶自由模态固有频率相对于原模型由很大的提升，其中第一阶达到56.85%。但是在当增加了与机床床身连接结构及导轨部分结构后，无论是原型机模型还是优化后的模型，自由模态固有频率均有所下降，最低阶频率降幅分别为10%和36%。结合第4章原立柱模态分析部分中第六阶自由模态振型图的结果，发现最大变形位于与床身连接的结构处。因此初步猜测其可能是导致频率大幅下降的可能原因，但由于对该结构进行优化设计需要对床身结构作相应的修改和评估验证，因此考虑到时间关系未继续进行。至此，立柱结构得到确定。1.2床身结构优化设计1.2.1床身外轮廓设计根据拓扑优化结果得到的床身概念模型如图1.4，在对其进行尺寸测量后于SolidWorks上重建，同时参照原机床模型，并保留床身上平面的排屑槽和导轨结构，最终重建模型如图。图1.4床身概念模型与重建模型经过分析，拓扑优化结果中的床身部分的第一阶自由模态频率为312.94Hz，而重建后的模型为426.8Hz，这表明模型重建在基本保留了拓扑结果的结构特征后，重建模型较原模型具有更优的动态特性。1.2.2床身内部结构设计在床身优化设计需要考虑到床身底部的实心底座，拓扑优化结果保留了这一实心结构（参见图1.4）。但是无论是从铸造方面的合理性还是它所导致的材料堆积方面来考虑，这一结构都需要进行重新调整和规划。首先是将该部分大面积挖空，保留最小壳体壁厚度为20mm，同时底部封装厚度为10mm，并开设出入槽以便材料填充，完整结构如图1.5。图1.5床身结构下一步对填充材料进行分析对比，拟定了以下几种材料，其填充于床身后床身的固有频率值请见表1.4.表1.4不同填充材料下床身的模态对比氮化硅石英玻璃花岗岩橡胶水泥沙子各阶自由模态固有频率1343.5319.39311.22159.96308.26151.652399.23391.65392.79167.01396.88158.63460.12459.97459.58176.88481.5164.944469.96467.64467.26193.16508.72183.665507.33491.76494.11201.26523.72184.886584.86584.46584.19212.33587.97190.377621.92591.37589.86213.47661.62201.798626.9621.58621.23223.34687.78212.889639.03631.73631.21231.17707.11222.2510714.55700.21696.95238.18713.37234.7711749.48729.79721.72239.75769.69231.9412782.1781.09780.76247.19841.24236.7213812.18798.93791.57250.88876.58242.6214832.71811.53814.99252.6894.65246.55从以上表格对比结果得知，各种填充材料中使用氮化硅的结果是最好的，除了沙子外所有硅类材料的效果都不错。而早已被应用于机床结构填充水泥效果稍差，但是是各类材料中经济性较好的。橡胶和沙子作为填充物的效果很差，使得床身固有频率下降很多。尽管进行材料填充后，床身优化模型的各阶频率均有明显下降，但是最优结果的第一阶频率也较原床身提升了17.8%（氮化硅），因此这一方案仍有不错效果