基于有限元的車床車身結構優(yōu)化
2016-12-13 來源：大慶油田裝備制造集團抽油機公司配件廠 作者：郝軍才
摘要：分析了基于有Ftt,L的車床車身結構優(yōu)化，以供參考和借鑒。
關鍵詞：有限元；車床車身；結構；優(yōu)化
優(yōu)化設計是一門新興的科學，同時它也是一項非常重要的新型技術，在工程設計的很多方面都得到了非常好的應用。在工程產(chǎn)品設計的過程中都是需要按照沒計的基本要求和標準來制定和選擇最好的方案，從而獲得最好的設計效果。優(yōu)化設計就是在這一過程中發(fā)展起來的，在應用中也．充分的標明優(yōu)化設計能夠為復雜問題的解決提供非常好的條件。車床車身的優(yōu)化謝十是菲常重要的—個內(nèi)容，設計的質(zhì)量會直接影響到車床自身的性能發(fā)揮，對生產(chǎn)也會產(chǎn)生非常重大的影響，在這樣的情況下，我們一定要采取有效的措施對其加以控制，只有這樣，才能更好的實現(xiàn)其經(jīng)濟效益和社會效益，因此，在實際的工作中，我們在有限元的基礎上研究車床車身結構優(yōu)化也有著十分積極的現(xiàn)實意義。
1.在保證原有結構的基礎上減薄板厚和肋板的截面形狀
1.1減薄板厚。在本車床車身結構設計中，根據(jù)有限元分折的結果，對車床結構中能夠做出一定調(diào)整的結構進行了適當?shù)慕Y構優(yōu)化。具體的模型減重步驟如下。
首先是在確保原來結構不受影響的情況下，減少床尾板的厚度。將這一部分厚度減到10ram，一共減少了3_2kg。氣促是減少床身中間的三拱厚度，住而已位置原來的尺寸是13mm，現(xiàn)在是10mm，可以減少8kg的重量。再次是將原來床頭上的板厚由1 4ram變?yōu)? 0ram，可以減少19kg的重量。ilL*t-還要減少床鞍后側平面的厚度，將厚度降低4mm，其重量會減少14kg：最后一點是減少了以上四個部分的尺寸，就會使得結構自身的剛度大大下降，也就是說位移量會明顯的增加，為了對位移量進行有效的控制，我們可以在實際的工作中借助不斷的增大板肋的寬度來對變形量予以有效的控制，需要增大加強肋板的寬度，結構整體的重量會增加4．1 kg。
1．2床身結構優(yōu)化后的計算。在經(jīng)過了以上幾個步驟的處理之后，模型的總重達到了509kg，和原模型相比，其重量減少了31．5kg，之后對上述狀況下，最大位移量和同有頻率進行計算。在經(jīng)過計算和比較之后，發(fā)現(xiàn)以上兩個參數(shù)的變化都不是很大，所以這種方案在理論上具有可行性。
2.改變板厚和肋板的截面形狀的同時在后側主平面上開孔
首先是在改變板厚和肋板截面積的時溶蝕也要保證設計的合理性，也就是前五個步驟全部相同，對第六個步驟進行適當?shù)恼{(diào)整，在本工程的設計中就是不改變薄床鞍后側主平面的厚度，而是在后側主平面上進行開孔處理。其次是在計算之后，總重量減少了32kg。最后是方案二的固有頻率有了非常明顯的變化。
3.去掉床身中間的三個拱形支撐重新布置肋板
首先，好的對床身整體結構對床身剛度和固有頻率的基本影響，在本方案當中首先不考慮床身中間的支撐結構，之后誰用全局靈敏度分析以及平面結構拓撲優(yōu)化的方式對床身中部的支撐結構進行適當?shù)恼{(diào)整。其次，具體的模型減重步驟是，去除床身中間三拱形支撐和周圍的肋板。
4.床身主側板上加強筋結構的拓撲優(yōu)化設計
在優(yōu)化設計的過程中．設計變量的取值是要不斷改變的，這樣就可以達到目標雨數(shù)當中的最小值，但是設計變量的變化和取值一定要受到一些因素的限制和約束。比如說零件設計中的強度、網(wǎng)4度和失穩(wěn)條件等都要滿足設計的基本要求，在設計變量的時候，設計的取值范圍也應該有所限制。
因此我們在設計中對與之相關的各種參數(shù)取值進行研究也有著十分積極的作用。
拓撲優(yōu)化的主要目標就是一套找到承受但何在或者是多荷載的最好的配置方案，這種方案在拓撲優(yōu)化設計中應該采用最大剛度設計，和傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法有著j#常明顯的不同，拓撲優(yōu)化在實際的操作中不需要對參數(shù)和優(yōu)化變量予以定義。目標函數(shù)都是先前就已經(jīng)設定好的，用戶只要根據(jù)特定的參數(shù)有效的措施對其i勘口以處理。
5.橫粱的靈敏度分析
5．1橫粱的結構設計。1)為了便于排屑和橫向力傳遞，采用相互平行的橫梁作為連接的析架。2)為了減重需要對于橫梁的尺寸要嚴格進行計算，力求在盡可能小的尺寸范圍內(nèi)得到較大的剛度。這里采用全局靈敏度計算對5個橫梁的寬度和高度進行汁算。3)在設計中，度大于0．Im以后床身的最大位移變化趨勢不大，因此橫梁高度選定0．1m。
5．2床身結構改型后的計算。1)通過以上方式確定了橫梁的寬度和高度，經(jīng)計算5根橫梁總重32kg，比原始的三個拱加兩隔板總重量56kg減少了24k蘭。至此床身的基本尺寸己經(jīng)確定，修改模型后得到了該方案的最終模型，經(jīng)過Pro／E模型分析，得到該模型的重量是482．9kg與原始模型540．5kg相比減少了33．4kg。同樣按照前面原始模型的加載和固定約束方式進行計算。計算結果：最大位移84．03微米出現(xiàn)在大山中部，剛度提高近lo微米。2)對該模型進行模態(tài)分析，結果為一階固有頻率185Hz，比原始降低了30Hz，但是通過觀察一階振型可以看出，共振位移最大點出現(xiàn)在床身下部，而不是原始的大山中部。
6.床身結構優(yōu)化的最終設計方案
6．1橫梁結構的優(yōu)化設計。對車床床身的鑄造工藝進行分析之后，認為應該將板減到10ram，鑄造和工藝方面都是不能吏現(xiàn)的，而方案三是最為理想的方式，其工藝比較合理，在鑄造方面也沒有任何問題，為了達到減重的目的，前后兩側板向上提升40ram。其次為了可以更好的減少兩側板的厚度差，可以將中間量做成T型，這種方法可以十分有效的解決板厚差異過大的問題。
6．2依據(jù)實際優(yōu)化床身結構。1)為鑄造方便，需要添加圓角，添加圓角后結構與尺寸：考慮到圓角的大小不同，所加圓角位置也有差異，所以可以分隋況進行計算來驗證。在T字型情況下．T字型處無圓角，而橫梁與兩側板間添加圓角，圓角大小不同時，對應的減重情況。若存T字型處添加圓角R15，橫梁與兩側板間也有圓角，且圓角大小不同時，對應的減重情況。2)依據(jù)有限元計算結果可以發(fā)現(xiàn)，床頭受到的力比較小，床身的變形主要在與導軌接觸的部分，床頭承受的力比較小，不是主要的變形區(qū)域?；谶@種分析，床頭前隔板凹凸處可以開孔。
6．3床身結構優(yōu)化最終設計方案。經(jīng)過有限元分析得知：床身的最大位移量是88．41微米．比原始最大位移95A09微米小。但是一階固有頻率為213．72Hz，比原始一階固有頻率為219．76Hz小。固有頻率有所降低，為提高固有頻率，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，床尾豎隔板上開的孔能使固有頻率嚴重降低，在該處開孔僅減少2A6kg，為提高整體的固有頻率，決定在該處不開孔。
7.結論
該結構設計方案經(jīng)大連機床集團論證，并且整機裝配后做了車床切削性能試驗，經(jīng)過反復試驗，達到使用性能要求。經(jīng)過對車床的動態(tài)性能試驗，試驗結果與有限元計算分析的結果相吻合。實驗表明機床的剛度、強度和固有頻率方面達到使用要求。
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