基于拓扑优化与筋板布局的立柱轻量化设计.pdf

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1、第4期组合机床与自动化加工技术NO．42015年4月ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechniqueApr．2015文章编号：1001—2265(2015)04—0001—04DOI：10．13462／j．cnki．mmtamt．2015．04．001基于拓扑优化与筋板布局的立柱轻量化设计术刘成颖h’，谭锋，王立平h，岫(1．清华大学a．机械工程系；b．精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室，北京100084；2．电子科技大学机械电子工程学院，成都611731)摘要：为了实现机床立柱结构的轻量化设计，对立柱进行拓扑优化研究，根据拓

2、扑优化的材料分布结果设计了立柱的基本外形。根据立柱的外形特点，对比了5种不同类型筋板形式的单元结构，发现W形式的筋板结构材料消耗较少同时综合力学性能较优。选择w形式的筋板对立柱的外形结构进行布局及尺寸优化，得到了最终的立柱结构形式。对新的立柱结构进行有限元分析，结果表明，新设计立柱结构的质量减轻了8．3％，并且其静、动力学性能得到了不同程度的改善，实现了立柱结构的轻量化设计。关键词：拓扑优化；筋板；立柱结构；轻量化设计中图分类号：TH113；TG506文献标识码：ALightweightDesignofColumnStructureBasedonTopologyOptimizatio

3、nandReinforcingRibLayoutLIUCheng-ying’，TANFeng，WANGLi-ping(1a．DepartmentofMechanicalEngineering，b．BeijingKeyLabofPrecision／Ultra-precisionManufacturingE-quipmentsandControl，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2．TheSchoolofMechatronicsEngineer—ing，UniversityofElectronicandTechnologyofChina，Ch

4、engdu611731，China)Abstract：Inordertoachievethelightweightdesignofmachinetoolcolumn，topologyoptimizationofitsstructureisresearched．Frommaterialdistributionresultsoftopologyoptimization，thebasicshapeofcol—umnstructureisdesigned．Accordingtothecharacteristicsofthecolumnbasicshape，5unitstructureswit

5、hdifferenttypesofreinforcingribsarecompared．Thestructurewith“W’’reinforcingribhaswellmechanicalperformanceandconsumeslessmaterials．The“W”reinforcingribisdistributedandoptimizedonthebasicshapeofcolumnstructure，andthecolumnisfinallydesigned．Finiteelementanalysisresultsdemonstratethatthemassofthen

6、ewdesignedcolumnstructureisreducedby8．3％．Itssmtic／dynamicperformancehasbeenimprovedwithdifferentdegrees，andthelightweightdesignofcolumnstructureisachieved．Keywords：topologyoptimization；reinforcingrib；columnstructure；lightweightdesign条件，寻求质量的最小化。有限元法能够大大缩短结0引言构优化设计的周期并省去一些不必要的常规性实验，随着机床控制系统集成化程度

7、、精度越来越高，机在机床结构件的优化应用中已十分广泛引。拓扑优床零部件的机械结构已向着高度集成、低功少材、高可化技术作为一种新颖的结构优化设计方法，在理论上靠性的方向发展，机床结构件的轻量化设计已成为机往往能够大幅提高结构的某一性能。但由于拓扑优化床研究领域的一个热点。立柱作为机床中关键的受力结果通常难以直接应用于工程中，使得这种方法在机构件，重量较大，并且其强度、刚度的好坏将直接影响床结构件优化的实际应用中难以推广J。机床结构到机床的精度和寿命。如何在保