【《某立式机床整机结构拓扑优化分析案例》1700字】

某立式机床整机结构拓扑优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u26851某立式机床整机结构拓扑优化分析案例 1144621.1建立整机结构基本模型 1219601.2整机载荷及边界条件施加和优化区域设置 274351.3划分网格与求解设置 4244601.4不同载荷下优化结果对比 5118001.5不同约束条件下优化结果对比 71.1建立整机结构基本模型在对机床整机进行拓扑优化前需要导入模型并进行静力学分析。此处选择的是以原型机外围尺寸建立的基础模型，由立柱、床身和主轴箱、主轴组成，长1300mm，宽900mm，高1550mm。同时将主轴从主轴箱体中分离并在床身上绘制两个导轨面，在床身底部绘制4个面，以便后续规定优化区域和施加载荷。如图1.1所示。图图1.1待优化整机模型1.2整机载荷及边界条件施加和优化区域设置（1）载荷及约束施加。在该模型上施加的载荷和约束有：①模型自重。在模型的静力分析模块插入StandardEarthGravity，设置为-Y方向，系统将对各部分进行重量计算并进行施加。②主轴所受切削力Force1。在主轴模型的下表面施加切削力，并将其按照x，y，z方向分量进行定义。这里为了对比不同大小的力对拓扑优化结果的影响，按照100N-150000N的范围分为了4个等级进行分析。③床身导轨上所受到的切削力的反作用力Force2。这一面力与切削力等大反向。④立柱上端所受的面力Force3。这一面力除了其大小跟随②中切削力等级变化外，也有两个相反反向的设置求解。⑤固定约束。在模型底部四个面上施加FixSupport。最终一共进行了6组方案的拓扑优化对比，各方案的载荷施加详情请见图1.2。（2）优化区域设置。软件默认对所有外部载荷及边界条件施加处设置为非优化区域，除此之外需要另外增加立柱前面板和床身中间面版区域及主轴整个体，优化设计与非优化设计区域请见图1.3。图1.2六个不同载荷方案图1.3优化区域设置图1.3划分网格与求解设置（1）网格划分考虑到用于拓扑优化的基础模型较为规则且不复杂，这里采用六面体网格来划分，控制单元尺寸大小为50mm，一共生成7424个单元，32238个网格，平均网格质量为0.90。六面体网格较四面体网格而言能够使用更少的节点数实现同等质量的单元划分，而若使用六面体划分方法对较为复杂的模型进行划分时，往往会导致划分失败。本阶段分析中的六个方案均采用相同划分方法，网格划分后的模型如图1.4所示。图1.4模型网格划分图（2）求解设置。此处将以MiniCompliance（柔性最小）作为优化目标，同时将保留体积百分比设置为约束条件，将其设置为保留32%的体积。根据前人研究经验，当设置该数值时，拓扑优化结果倾向于最佳。同时为了优化后的模型更利于实际制造，增加制造上的约束：关于Y轴对称。六个方案均设置相同。1.4不同载荷下优化结果对比对六个方案的优化结果进行自由模态分析，均计算前20阶自由模态频率，由于前六阶为刚体位移频率，其数值为0或接近于0（存在计算误差），因此本次结果对比从第7阶固有频率开始对比。表1.1六种在载荷方案优化结果对比方案优化结果自由模态下固有频率（Hz）方案1：100N级（左上）第1阶：22.086第2阶：51.167第3阶：66.229第4阶：69.578第5阶：146.33第6阶：152.39方案2：100N级（右下）第1阶：35.244第2阶：81.776第3阶：99.037第4阶：132.56第5阶：222.43第6阶：246.88方案3：1000N级（左上）第1阶：31.132第2阶：60.013第3阶：137.37第4阶：199.63第5阶：219.32第6阶：258.55方案4：100KN级（左上）第1阶：186.48第2阶：230.21第3阶：241.96第4阶：252.92第5阶：316.64第6阶：332.91方案5：100KN级（右下）第1阶：90.701第2阶：108.18第3阶：159.42第4阶：217.15第5阶：222.68第6阶：269.12方案6：100KN级（左上）第1阶：176.35第2阶：221.9第3阶：239.15第4阶：250.01第5阶：272.74第6阶：322.45从表1.1对比结果可以看出，方案4所得出的优化结果的低阶固有频率是最高的，因此将其作为下一步分析的选择。不同载荷等级对拓扑优化结果有着较大影响，但是当载荷等级基本相同时，结构也大致相同。1.5不同约束条件下优化结果对比在上一小节中能够确定方案4的载荷施加能够得出最佳的拓扑结果，本节将会分析不同体积约束情况下优化结果的差异，并选择最佳结果。本节分析仅改变保留体积百分比，其他分析条件与上一节一致，并只对自由模态下最低阶自由频率进行对比。对比结果如图1.5图1.5不同体积保留百分比设置下的优化结果从图1.5得知，当保