基于ANSYSWorkbench机床部件优化设计.pdf

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1、ppUeationofA。AcAPPlC仰／cAM／cAPP应用基于ANSYSWorkbench机床部件优化设计青海华鼎重型机床有限责任公司研究所(西宁810100)夏健康胡晓梅随着国内航天、航空、船舶、风电、军工等行g()为状态设计变量，设计变量为自变量，优化结业的发展，现代数控机床的切削速度越来越高，加果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的，]-精度要求越来越好，因此对机床的各个部件的静、对于每一个设计变量都有上下限，用户必须规定动态特性的要求越来越高。以往机床设计主要采用中的每个元素(=1，2，⋯，n)

2、的最大值、最小传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法，值，它定义了设计变量的变化范同。状态变量是约由于过于保守，致使产品设计制造成本过高，性能束设计的数值，是设计变量的函数，状态变量可能难以达到最佳。因此，为了进一步提高我国数控机有上下限，也可能只有单方面的限制，即上下限或床设计制造水平，在国际市场占有一席之地，我们只有下限。目标函数是尽量小的数值，它必须是设必须打破传统的设计手段，采用先进动态设计方法。计变量的函数。基于CAD／CAE等现代设计方法发展，作为动态2．优化设计的分析步骤分析重要手段的试验模态分

3、析技术、计算机辅助丁程技术、有限元分析方法以及仿真技术有机结合，优化设计的过程通常需要参数化建模、后处理使得人们可以在设计阶段对结构性能进行预测，在求解、优化参数评价、优化循化、设计变量状态修此基础上进行优化设计。正等步骤来完成，其优化流程如图1所示。1．优化设计原理优化设计的基本原理是通过构建优化模型，运用各种优化方法，通过在满足设计要求条件迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优化设计方案。优化数学模型表示为rminF()=F(l，2，⋯，)I?g()=g(，2，⋯，，)，(i=l，2，⋯，)【X=(l，2，⋯

4、，)图1式中，F(X)为设计变量的目标函数；为设计变量，3．实例分析(床身优化分析)“J¨I。0I⋯“．一’0I¨‘’I⋯’_·

5、_Il_l¨l。II一。‘IbI·_l¨}·⋯Il‘’I_l¨_-⋯lI“II⋯⋯·_l¨．做优化设计时，首先要选定目标函数。针对机合，特别是在曲轴的设计阶段，可以避免了试验研床结构动态特性进行最优化设计的目标函数大致有究需要花费的大量时间和物资消耗，提高了曲轴设如下几项：静刚度、一阶模态、摈弃包括在某一频计准确性，为强化曲轴疲劳寿命提供了可靠的依据。率范围内的共振频率。对于数控重型卧

6、式机床而言，MW(收稿日期：20131124)主要由床身、床头箱、尾座、拖板、框式刀架等部78；却参禹冷肛pplicationofcA。AcPI／cAM／cAPP应用分组成。床身是机床的基础，其动态性能关系到整基于SixSigma的判定原则，利用全局变量法来个机床的工作性能。床身结构的设计尺寸和布局形确定哪些尺寸对床身的性能有较大影响，以便完成式，决定了其本身的各个动态特性，如刚度、模态全局灵敏度分析。图3中优化尺寸的灵敏度为正值，等。以下将以床身作为优化实例，详细介绍部件优表示当这个尺寸增大时，目标函数的值会相

7、应的增化过程。大。同样的，尺寸的灵敏度为负值，表示当这个尺(1)参数化模型建立三维建模是进行数值计寸减小时，目标函数的值会相应的减小。算的关键前提，但由于有限元分析软件本身建模能P2一DS—L-e‘力较弱，难以实现复杂三维实体建模。因此，利用H1JrolP5-DS—S参数驱动式软件SolidedgeV20对机床床身进行前期N一南__JlsLN建模，然后将参数化模型导入ANSYSWorkbench软H1NlSH1冈1811~o⋯HO件，通过搜寻设计域筛选出合适的设计变量，对床一0一O8身进行多目标优化，实现目标函数

8、的最优。—O8一0首先，为了方便的参数化建模，需对床身模型8—08进行适当地简化处理，提高网格的划分质量，节约一O变形量重量一阶频率计算资源；对床身结构上主要筋板、较大孔洞进行图3参数灵敏度分析保留，若干尺寸较小的倒角、圆角、／h：fL、螺纹等床身变形量越小，导轨的静刚度越大；一阶模小特征均忽略或简单地局部处理；其次，将床身宽态越高，床身的动态性能越好。由图2参数灵敏度分度、高度日、筋板厚度S、内部筋板高度以及腹析图可以观察到，Ⅳ、s参数对变形量减小影响最大，板个数Ⅳ作为设计变量，并将床身静刚度(变形、Ⅳ、s参数

9、对一阶模态增大影响最大，但、Ⅳ、5量)、一阶模态以及重量作为优化目标。具体模型建参数对质量增大也影响比较大，所以需要选择合适立，以及参数化设计变量如图2所示。设计变量的、Ⅳ、s参数值。初始值以及变量的取值范围如表1所示。(3)参数值合理选择以往床身结构尺寸的选择，主要根据经验公式或采用类比方法进行初步确定，结构验证只能等到样机生产完毕后，才能对机床的静动态性验证。导致机床