大型加工中心结构件优化设计

贺伟

摘 要：以某龙门加工中心为例，对其主要结构横梁进行结构优化分析，目的是建立大型加工中心结构件的优化设计方法。文中首先建立了横梁力学模型，对原有横梁结构进行有限元静态性能分析，之后再建立优化模型，并进行拓扑优化分析，最后分析优化结果，从而设计出改进结构，并与原结构进行性能对比。结果表明，通过拓扑优化结果设计的改进结构在强度、刚度、抗震性不下降的前提下，其重量显著降低。

关键词：加工中心；横梁；拓扑优化；有限元；强度；刚度

中图分类号：TH16；TP20 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-02

0 引 言

大型加工中心在切削载荷、电机等因素的影响下会发生形变，影响设备加工精度，因此其主要结构件的合理设计至关重要。在拓扑优化概念出现前，对复杂结构的设计往往很困难，只能根据经验以及反复实践修正得到。现在，我们可以根据优化目标，通过拓扑优化的理念，在短时间内得到最优的设计方案。拓扑优化为结构设计提供了方向。

1 建立力学模型

对某加工中心的横梁进行分析，建立受力模型。横梁下侧与两个立柱相连，前侧与十字滑块相连。

1.1 滑台、横梁力学模型

加工中心滑台、横梁之间采用线轨连接，使用单丝杠驱动。力学模型如图1所示。

1.2 横梁、立柱力学模型

横梁、立柱之间采用螺栓组连接，其力学模型如图2所示。

2 原结构静态性能

依据力学模型及载荷计算结果，施加边界条件和载荷，计算结果如图3、图4所示。横梁静力求解结果见表1所列。

3 拓扑优化

3.1 优化目标

优化的最终目的是减重，原则是保证减重后结构件的强度、刚度及固有频率不降低。

3.2 拓扑优化

以滑枕部件位于滑台上、下极限位置切削时的加权静态应变能最小以及结构一阶固有频率最大为优化目标，进行横梁结构拓扑优化。载荷及边界条件设置如图5所示。

根据横梁可能的所有受力情况，对横梁结构进行综合载荷结构拓扑优化，得出的结果如图6所示。

4 改进结构设计

4.1 方案设计

依据拓扑优化结果，整个模型的筋板布置采用对称模式。在横梁中间部位布置两根斜拉筋板，在两侧约束区域分别布置三根竖直筋板。具体模型方案示意图如图7所示。

4.2 新旧方案对比

改进方案与原方案筋板布置比较如图8所示，改进方案位移求解结果如图9所示，改进方案应力求解结果如图10所示。横梁静态ANSYS计算结果见表2所列。

横梁前十阶固有频率ANSYS计算结果见表3所列。

可见，改进方案的前十阶固有频率与原方案比较均显著增大，抗振性能提高。

5 结 语

通过对设计方案与原始方案的比较，我们认为如上改进方案已具备了龙门加工中心横梁的基本性能，对于固有频率问题，由于主轴电机的最大转速为7 000 r/min，其频率为116.7Hz，更改后的模型增大了第二阶固有频率，使得第一二阶固有频率均远离床身振动源的频率，因此横梁的抗振性能得到增强。综合上述因素，改进方案显著减小了横梁质量、整体应力及一阶固有频率，满足了轻量化，减振性等要求。

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