基于拓?fù)鋬?yōu)化的龍門加工中心立柱輕量化設(shè)計

陳敏，張華偉，陳啟愉，毛璐瑤，吳智恒

基于拓?fù)鋬?yōu)化的龍門加工中心立柱輕量化設(shè)計

陳敏，張華偉，陳啟愉，毛璐瑤，吳智恒*

（廣東省智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

主要針對GSLM3308龍門加工中心的立柱結(jié)構(gòu)展開研究，為提高立柱性能的同時實現(xiàn)輕量化設(shè)計，使用OptiStruct軟件對立柱進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化模型在靜力工況下以柔度最小化為目標(biāo)，以體積變化量為約束，優(yōu)化后的模型增加了立柱剛度，同時質(zhì)量減少了14%。表明利用有限元分析方法在產(chǎn)品設(shè)計前期進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠提供較優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)品的整體性能。

機床立柱；拓?fù)鋬?yōu)化；龍門加工中心

立柱結(jié)構(gòu)是加工中心的主要組成部分，其剛度性能直接影響到加工中心的加工精度。立柱主要是對橫梁和主軸箱起到支撐作用，滿足主軸的向運動。目前普遍采用雙立柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，大中型的移動立柱固定于滑座上。立柱是連接床身與主軸、刀庫的重要部件，其設(shè)計必須得到重視。本文在HyperMesh中建立了GSLM3308龍門加工中心的立柱結(jié)構(gòu)有限元模型，使用OptiStruct 軟件對立柱進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定外部和內(nèi)板加強肋合理布局，提高立柱性能的同時實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

1 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義，目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量都是預(yù)定義好的，用戶只需要給出結(jié)構(gòu)參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)約束的情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能，相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。

拓?fù)鋬?yōu)化的研究領(lǐng)域主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個單元（殼單元或者體單元），離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計空間內(nèi)建立一個由有限個梁單元組成的基結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨福瑥亩鴮崿F(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。

目前，拓?fù)鋬?yōu)化在機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1-5]。本文采用拓?fù)鋬?yōu)化法對加工中心的立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 立柱有限元模型

立柱外部是箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部是橫縱筋板結(jié)構(gòu)，對立柱的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，忽略較小的過渡圓角、小孔等。三維模型如圖1所示。

將立柱模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中，劃分網(wǎng)格。主要材料特性：彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，密度7.7×10-9t/mm3。選取殼單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小25 mm，單元總數(shù)目55922，有限元模型如圖2所示。

3 立柱有限元分析和優(yōu)化

該加工中心結(jié)構(gòu)中，橫梁和主軸箱總重量11 t都是靠立柱支撐，因此在立柱頂部施加重力和相應(yīng)的力矩，固定立柱底面，在OptiStruct中進(jìn)行求解。立柱計算結(jié)果如圖3所示，立柱質(zhì)量為3.38 t，頂部最大的變形為0.84 mm，變形比較大，表明立柱剛度不足，需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使剛度提高、重量減輕。

圖1 立柱的三維模型

圖2 立柱的網(wǎng)格

為提高立柱剛度，對立柱外部和內(nèi)部筋板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲得筋合理布局。在OptiStruct中將立柱的外部和內(nèi)部筋板都指定為設(shè)計區(qū)域、拓?fù)浜蟮臉O限尺寸、約束立柱設(shè)計區(qū)域的體積和揉度最小為目標(biāo)函數(shù)，求解得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4所示，顯示了立柱筋板大致結(jié)構(gòu)形狀。

圖3 立柱變形

圖4 立柱拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

4 優(yōu)化后的立柱有限元分析

4.1 立柱結(jié)構(gòu)

根據(jù)立柱的形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，設(shè)計新的立柱模型，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計后立柱幾何模型

圖6 優(yōu)化設(shè)計后立柱變形

4.2 計算結(jié)果與分析

對優(yōu)化設(shè)計后的立柱重新劃分網(wǎng)格，加載與原模型相同的約束和載荷，在OptiStruct中進(jìn)行求解，獲得變形結(jié)果，如圖6所示。新設(shè)計的立柱質(zhì)量為2.9 t，質(zhì)量減少了14%。頂部最大的變形為0.36 mm，與原始結(jié)構(gòu)相比，剛度提高了57%。

計算結(jié)果表明：立柱結(jié)構(gòu)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計后，明顯提高了剛度，同時減輕了立柱重量。

[1]段明德，李言，顧佳佳，張壯雅. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的高速精密數(shù)控車床床鞍設(shè)計[J]. 機械強度，2017（2）：316-320.

[2]左孔天. 連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論與應(yīng)用研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[3]劉成穎，譚鋒，王立平，蔡釗勇. 面向機床整機動態(tài)性能的立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 機械工程學(xué)報，2016（3）：161-168.

[4]饒柳生，侯亮，潘勇軍. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的機床立柱筋板改進(jìn)[J]. 機械設(shè)計與研究，2010（1）：87-91.

[5]童水光，劉彧，張健，等. 基于拓?fù)鋬?yōu)化的臥式旋壓機床身加強肋布局優(yōu)化設(shè)計方法[J]. 機械設(shè)計，2012（6）：31-35.

Lightweight Design of Longmen Machining Center Column Based on Topography Optimization

CHEN Min，ZHANG Huawei，CHEN Qiyu，Mao Luyao，WU Zhiheng

( Guangdong Intelligent Manufacturing Research Institute, Guangzhou 510070, China )

This paper mainly studies the structure of GSLM3308 Longmen machining center column, and the design of light quantification is achieved in order to improve the performance of the column, and the topology optimization is carried out using the OptiStruct software. The optimized model is minimized to the target in the static working condition with the constraint of volume change. The optimized model increases the stiffness of the column and reduces the quality by 14%. It is shown that the finite element analysis method can provide better topological structure and improve the overall performance of the product.

machine tool column；topology optimization；longmen machining center

TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.013

1006－0316 (2018) 03－0050－03

2017－06－28

廣東省科技計劃項目（2014B050503006、2014A040401062、2015B090921003、2016A040403090）

陳敏（1982－），男，湖北武漢人，碩士，高級工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化。

吳智恒（1970－），男，廣西南寧人，碩士，教授級高工，主要研究方向為先進(jìn)制造。