基于Optistruct的数控滚齿机床身拓扑优化设计.pdf

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1、基于Optistruct的数控滚齿机床身拓扑优化设计口胡世军。口邓洋l-2口韩健1,2口张富1,21．兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州7300502．兰州理工大学机电工程学院兰州730050摘要：床身作为数控滚齿机的关键部件之一，其结构性能好坏将直接影响整机的工作性能。基于HyperWorks／Opdstmct平台并结合拓扑优化技术，对床身进行模态分析和结构改进设计。分析结果显示，在满足床身工作性能要求的条件下减少了床身用材并提高了床身固有频率，为床身合理设计与改进提供了参考。

2、关键词：数控滚齿机床身Optistruct模态分析拓扑优化中图分类号：TP391；TG62文献标识码：A文章编号：1000—4998f2011)11-0008—03床身作为滚齿机的一个重要结构大件，起着支撑工件和主轴箱、尾架、大小立柱等关键零部件的作用。因此，它的动态性能将直接影响到机床的加工精度和整机的使用寿命。而提高结构刚度是改善结构性能的有效措施．通过对结构的固有频率进行控制和调整，避免与外界激振力频率相等或相近，从而有效地降低结构的动力响应[。拓扑优化技术在概念设计阶段能够激发设计人员的灵感．有

3、效实现结构最佳功能和最小成本的结合，因此成为结构设计领域的热点E23。Altair公司的HyperWorks／Optistruct软件是全球最先进的结构设计软件之一。本文基于HyperWorks／Optistruct平台，对数控滚齿以修正。划分好网格的床身有限元模型如图1所示。机床身进行了模态分析．使用相对密度法对其进行了2床身模态分析拓扑优化，在满足床身工作性能要求的条件下，减少床身的使用材料并提高了床身固有频率。床身有限元的动态分析基础是模态分析，用于确定床身结构的固有频率和振型。模态分析反映了结构

4、1床身有限元模型的建立本体的力学性能，与载荷无关。一般来说，床身的低阶通过Pro／Engineer软件建立床身的三维数字模型频率和振型对床身的动态特性影响较大。应用(床身与导轨的装配体)，再导入HyperMesh软件中建HyperWorks／Optistruet模态分析模块，采用Lanczos算立有限元模型。由于床身的实际结构比较复杂，因此对法对床身进行约束模态分析时，通过约束床身底面的于明显不会影响床身整体刚度、强度的部位，如倒角、全部自由度，分析得出床身前5阶自由模态(固有频率圆角、螺钉孑L及凸台等

5、予以简化。模型导入HyperMesh和振型)，并在后处理器HyperView中查看结果(如表后为了避免模型小特征的抑制以及复合面的产生。还l所示)。需对模型进行几何清理。表l机床床身前5阶固有频率及振型简化后对模型采用单元尺寸10mm的四面单元阶数固有频率／Hz振型描述对集合模型进行网格自动划分，共划分了270156个l466．68绕轴弯曲单元和58575个节点。床身材料为HT250，弹性模量2694．O2绕l，轴扭转3744．79在yZ平面内弯曲为120GPa，泊松比为0．28，密度为7300kg／m

6、。。4872．51床身整体扭转对于床身的有限元模型中质量差的单元，使用5928．9O在XY平面内弯曲HyperMesh中网格质量检查功能，对所有单元的长宽比、塌陷值、雅可比值等特征进行检查，不合格单元予3床身拓扑优化收稿日期：2011年6月3．1拓扑优化原理2011／11机械制造49卷第567期结构优化设计可分三类。即尺寸优化、形状优化和件后，在Optisturct模块下自动进行优化。其优化结果拓扑优化。其最高层次为拓扑优化，主要思想是将寻求显示经过30步迭代后得到的床身拓扑优化密度分布结构的最优拓扑问

7、题转化为在给定设计区域内寻求材云图及结果图分别如图2和图3所示。料的最优分布问题．以达到结构的最优化。拓扑优化主要有Homogenization(均质化)和Density(密度法)方法，其中密度法又最为常用，也是本文所采用的优化算法，其基本思路是使设计变量为单元密度Pqo连续取值，0≤p≤1)，以p=0和p=1分别表示没有材料和存在材料。为了抑制中间密度(0<1)的生成，对刚度引入如下假设：k(p)嚅(1)式中：k为单元的真实刚度矩阵；P为惩罚因子(一般p>1)；k为引入惩罚因子后计算所得的刚度矩阵。密

8、度算法不仅简单易于程序实现，大量实例也表明它是一种很有效的方法，在商业拓扑优化软件中得到了广泛应用。3．2床身拓扑优化模型在优化过程中，导轨不参与优化，将图1中设计区域即床身作为优化区域，由此建立以床身一阶固有频率最大为目标函数、以床身的单元密度为设计变量、以床身体积为约束函数的床身拓扑优化数学模型，如下所示：由图2密度云图知，深色部位是低密度单元，主要集中在床身顶部和前后，是建议去除的部分。设置单元求：(⋯⋯)密度阈值G为0．15后．从图