基于灵敏度分析的机床立柱轻量化设计.pdfVIP

基于灵敏度分新 的机床立蛀轻量化设计木 口 赵东平 口 芮执元 口 刘 军 口 宋冬冬 兰州理工大学 机 电工程学 院 兰州 730050 摘 要 ：以某铣车复合加工 中心立柱为研究对象，建立有限元模型并进行 了模态和静力学分析 。在体积约束下，对 立柱的主要参数进行灵敏度分析和多目标优化，最后进行 了仿真分析。结果表明，立柱的质量较原设计减轻 了277．5kg。 关键词 ：灵敏度分析 机床立柱 有 限元 轻量化设计 中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2012)04—0008—03 立 柱是 机 床 的基 础部 件 ．也 是极 为 重要 的承载 和 2)忽 略对 整 机 影 响较 小 的 导 向部 件 ．立 柱 的质量 是 机床 节 约材 耗 、降低 成本 的关 结构 部件 。 键 。传 统 的立 柱采 用 类 比 的经验 设计 法 和普 通 的铸 铁 根 据 以上 要 求 ．建 立 立 柱 模 材 料 ，在 验 算 立 柱结 构 强 度 与 刚度 时 ，为 了可靠 起 见 ， 型 (见 图 1)。立 柱在 安装 尺 寸和 常 常选 择 过大 的安全 系 数 ，造成 所设 计 的立 柱 结构 尺 总 体积 约 束 -V ．其 主要 设计 尺 寸 寸 与质 量 偏 大 。 目前 立 柱 的优化 已从静 态 发展 到动 态 见 表 1。 设 计 阶段 ，然 而 多数 优 化方 法将 重 点放 在 如何 单个 提 1．2 机床 立柱 的静 力 学分析 高 立 柱 的前几 阶 固有 频 率上 [1”]。文献 [1]以立 柱 的 固 机 床 立 柱 的材 料 为 HT300． 有 频 率 为 目标 函数 ，应 用灵 敏度分 析对其 进行 了优化设 ▲图 1 中简化后 弹性模 量 为 130GPa．泊松 比为 立柱模型 计 I4]。文 献 E5]运 用 ANSYS软 件 对 加 工 中心 立柱 进 行 0．27，密 度为 7350kgm／ 。 网格 划 静 动 力分 析 后 ，给 出 了内部 筋板 的布置 结构 Es]。 表 1 立柱主要设计尺寸 分 采用 solidI85．划 分 网 本文 引进 各 阶模 态 所具 有 的权 重 因子 。以立 柱 的 参数名称 尺寸数值 m／m 格 的有 限元 模 型如 图 2 前 4阶加 权 固有 频 率为 整 体 ，并将 其 同立 柱 静态 最 大 内部筋板横 向间隔 240 所示 ．立柱模 型被划分 为 变 形 和 质 量 共 同作 为优 化 设 计 目标 ，实 现 立 柱 的轻 量 内部筋板厚度 20 72082个节 点 。 化 设计 。 外壳厚度 25 立 柱 的受 力 复 杂 。 上下面筋板厚度 20 为 了便 于分 析 。将立 柱 1 机床立柱的静、动态性能分析 内部筋板纵 向间隔 395 受力 简 化 为 ：在 立 柱 和 1．1 建 立机 床 立 柱有 限元模 型