【《式机床整机结构拓扑优化设计案例分析》4000字】

式机床整机结构拓扑优化设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u4089式机床整机结构拓扑优化设计案例分析 19392第1章立式机床整机结构拓扑优化 135141.1建立整机结构基本模型 174231.2整机载荷及边界条件施加和优化区域设置 241531.3划分网格与求解设置 548321.4不同载荷下优化结果对比 6306201.5不同约束条件下优化结果对比 8159371.6本章小结 96901第2章基于整机拓扑优化结果的机床大件结构设计 1013792.1立柱结构优化设计 10197522.1.1立柱结构外轮廓设计 1016882.1.2立柱内部结构设计 11302712.1.3立柱优化结构模态分析及对比 14104552.2床身结构优化设计 15194822.2.1床身外轮廓设计 15128292.2.2床身内部结构设计 16第1章立式机床整机结构拓扑优化1.1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：32.244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，当保留体积比为在40%-50%之间时，优化结果的固有频率相差不大，但30%-40%之间却有较大差距，根据结果选择45%体积约束下的模型作为后续设计的基础模型，其概念模型如图1.6。图1.6保留45%体积下的拓扑优化结果1.6本章小结本章对以原型机外形尺寸为基础的模型的拓扑优化过程进行了介绍，并在经过对比与分析后确定了最佳的优化结果。

第2章基于整机拓扑优化结果的机床大件结构设计2.1立柱结构优化设计2.1.1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1.6所示的模型中以床身平面为基准面切开，得到如图2.1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2.1右侧图片所示。图2.1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2.1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1630.08639.762728.96726.073988.91981.4141040.71040.2512841182.161332.31250.271627.81546816861663.791743.51752.21018121772.1111902.51948.7122030.91982.9132098.32011.3142386.62242.8从表2.1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。2.1.2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2.2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2.2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2.2所示。表2.2三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2.3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2.3右侧模型。图2.3优化后立柱模型图2.1.3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2.3所示。表2.3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1382.51437.672409.54462.173453.59540.024502.75649.65538.5672.696542.86702.27590.57732.138599.69741.349659.77762.6510701.09779.211702.57796.6912729.65799.6613751.47821.5514776.3827.09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。2.2床身结构优化设计2.2.1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2.4，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2.4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。2.2.2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2.4）。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2.5。图2.5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2.1.表2.4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1343.5319.39312.22159.96308.26152.652399.23392.65392.79167.01396.88158.63460.12459.97459.58176.88482.5161.944469.96467.64467.26193.16508.72183.665507.33492.76491.11201.26523.72181.886581.86581.46581.19212.33587.97190.377622.92592.37589.86213.47662.62202.798626.9622.58622.23223.34687.78212.889639.03632.73632.21231.17707.11222.2510711.55700.21696.95238.18713.37231.7711749.48729.79722.72239.75769.69232.9412782.1781.09780.76247.19841.24236.7213812.18798.93792.57250.88876.58242.6214832.71812.53811.99252.6891.65246.55从