一种激光切割机横梁的优化设计方法

濮 雍，周鹏飞，陈 龙

（江苏扬力数控机床有限公司，江苏 扬州225127）

一种激光切割机横梁的优化设计方法

濮 雍，周鹏飞，陈 龙

（江苏扬力数控机床有限公司，江苏 扬州225127）

将某型号激光切割机的横梁进行简化，建立横梁结构参数化几何模型，并根据参数化模型建立有限元模型，根据模态分析结果从多个结构参数中选取设计变量，使用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数最优解，此方法可代替传统方法对模型进行反复修改和计算，可提高设计效率。

激光切割机；横梁；参数化；几何模型；设计变量；优化设计

数控激光切割机适用于多种金属材料的高精度切割，是一种应用十分广泛的板材加工设备。激光切割机的横梁是主要基础部件之一，性能较好的横梁应具有较小的质量和较大的刚度，其机械结构的动态性能越好，抗振能力越好，生成的振幅越小[1]。横梁良好的动态性能对其定位精度、加工精度[2]、加工质量都具有非常重要的意义。

1 横梁模态分析

模态分析步骤为：建模→添加材料属性→划分网格→施加约束→查看分析结果。

建立横梁的三维模型如图1所示。在材料库中选取材料，其弹性模量6.9×104MPa，泊松比为0.33，然后用四面体划分法进行网格划分（Tetrahedrons），其网格模型如图2所示，划分结果为83792个节点，44477个单元。然后对横梁进行位移约束，最后对其做有限元分析求解得出模态分析结果如图3、图4、图5、图6所示，前四阶模态振型的固有频率分别为168.77Hz，185.67Hz，360.48Hz，419.55Hz。

图1 横梁模型

图2 网格模型

图3 一阶模态振型

2 横梁优化设计

横梁优化设计过程如图7所示。Design Explorer是多目标优化工具，在Design Explorer中作优化设计是通过响应面（线）来完成的[3]，其使用方法是实验数据法（The Design of Experiments method），简称DOE法。运算结束后，响应面（线）的曲面（线）拟合是通过设计点（Design Points）完成的，AWE优化过程如图8所示[4]。

图4 二阶模态振型

图5 三阶模态振型

图6 四阶模态振型

图7 优化设计流程框图

图8 AWE优化过程框图

在本例中，选取结构参数外框壁厚、回转筋厚度和回转筋宽度作为设计变量，以结构质量和一阶模态固有频率为目标进行多目标优化，即以外框壁厚t1、回转筋厚度t2和回转筋宽度D1作为输入参数，以结构质量M和一阶模态固有频率P1作为输出参数，该型号数控激光切割机的外框壁厚、回转筋厚度和回转筋宽度分别为25mm、20mm和20mm，设置三个参数的取值范围，22mm≤t1≤28mm，16mm≤t2≤24mm，16mm≤D1≤24mm，刷新计算，得到15组不同的设计点，如图9所示。

图9 15组不同的设计点

设计变量随着目标参数的敏感度变化图如图10所示。

图10 设计参数敏感度柱形图

图11 三组尺寸优化数据

将横梁质量目标设为最小，重要级别为高级，一阶模态频率设为最大，重要级别为高，最后按照优化设定目标，Design Explorer产生三组候选的优化设计点，并将三组设计点的数值分别插入设计点，就得到候选设计点作为正式设计点后的结果，如图11所示，根据三组尺寸优化的数据，将其圆整后取23mm、23mm和24mm，将模型的外框壁厚、回转筋厚度和回转筋宽度分别改为23mm、23mm和24mm，其余尺寸均保持不变，然后进行模态分析，得到的模型质量为149.08kg，一阶模态固有频率为183.61Hz。

3 结论

本文主要介绍了对激光切割机的横梁的一种优化设计方法，对横梁进行模态分析，根据结果对其进行多目标优化设计，优化后与优化前的参数进行对比如表1所示，由表1看出，优化后横梁的重量由156.67kg减少到149.08kg，一阶模态固有频率由179.99Hz增加到183.61Hz，横梁的性能比优化前有了一定的提高和改善，满足机身设计要求。

表1 优化前后参数对比

[1]隋晓东，戴 挺，高 锋.压力机机身振动特性的模态分析[J].噪声与振动控制，2010，（1）：10-14.

[2]翟桂强.数控液压折弯机的结构分析和优化设计[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[3]蒲广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[4]马静敏，范云霄.基于ANSYS Workbench的太阳能热水器支架优化设计[J].轻工机械，2011（5）：97-101.

An optimized design method of the beam for laser cutting machine

PU Yong，ZHOU Pengfei，CHEN Long
（Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

By simplifying the beam of some laser cutting machine,the geometric model of the beam structural parameterization has been established.The finite element model has been built on the basis of parameterization model.The design variables have been selected from these structural parameters as per the results of modal analysis.The finite element analysis software has been used to optimize the design variables,and the optimal solution of structural parameters has been obtained.This method can modify and calculate the model repeatedly instead of the traditional methods,which can improve the design efficiency.

Parametric geometric model;Design variable;Optimized design

TG485

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.006

1672-0121（2017）04-0022-03

2017-03-12；

2017-05-20

2015年扬州市科技成果转化项目资助（YZ2015128）

濮 雍（1989-），男，助工，从事机械设计研究。E-mail：382104414@qq.com