基于有限元分析理论的滑座轻量化分析研究

王信 王用 伍妮艳

摘 要：随着计算机分析软件和硬件的快速发展，优化分析在机床行业中应充分应用。对机床大件的重量和结构进行优化分析，研究大件壁厚，筋板布局、厚度对机床快速进给、结构刚度、动态性能的影响。有目的性的选择合适的参数，这对提高机床性能和自主创新有重要意义。

关键词：优化分析;滑座;筋板布局;刚度

1 引言

目前机床行业趋向于高精密、高速、重大方向发展。回转工作台的滑座是机床的重要功能大件，由于机床高精密、高速、重大等设计要求，直接影响机床大件结构的刚度、固有频率等性能指标。滑座主要承受工件的静载荷及机床加工时所产生的切削负载，滑座的静动态特性直接影响其使用寿命和机床的加工精度。因此滑座必须有足够的结构刚度和良好的结构特性。优化结构布局及内部筋板排列，研究筋板对变形、重量的贡献大小，明确结构性能和变化因素，尽可能轻的质量和尽可能简化的结构，在保证产品性能的基础上尽量降低成本。这对探讨结构本身的性能，对机床设计制造技术本身的研究是有意义的。

本文应用有限元分析软件，结合传统方案，对滑座结构进行设计、目标优化、再设计，得出相对传统方案更为合理的结构。

2 滑座结构分析

2.1 有限元模型的建立

利用Pro/E建立滑座的三维模型。为提高网格划分质量，方便计算过程顺利进行，需要去除模型中小尺寸的细节和特征。简化内容包括：

（1）删除削隙槽、凸台、台阶、凹槽;

（2）螺纹孔、螺栓孔、定位孔、注油孔;

（3）圆角、倒角、齿轮、轴。

为了使得计算分析结果与实际相同，计算时附带工作台台面。

2.2 原滑座结构静力学分析

简化好的模型导入有限元分析软件中。定义滑座材料HT-300，密度ρ=7200kg/m3，弹性模量E=138GP，泊松比μ=0.25。工作台采用solid20mm纯六面体单元自动划分网格。模型总节点数为619450，有限单元数为371965。对滑块安装面施加固定约束、自重，台面均布加载2×104N负荷（满载）。网格模型如图1所示。

在有限元软件中分析求解，得出原始滑座结构方案结果如表1所示。

据分析结果可以看出，最大变形主要分布在轴承安装面上，最大变形量为0.0047011mm，最大应力主要集中于滑块安装面周围，最大应力为27.474MPa。由变形可以看出影响最大变形的位置在轴承安装面上，因此可以适当调整滑座内部筋板厚度及个数。

2.3 原滑座结构拓扑优化

拓扑优化是结构优化的一种。结构优化分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。拓扑优化以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间。根据静力学分析加载条件对原始结构进行分析。从结果可知，原始结构的材料可去除部分为结构的四个边角处、非轴承安装面处，及分散于各条筋上的小部分材料。上述部位在结构中受力最小，对整体结构静刚度贡献小，可做减重处理，对结构起到主要支撑作用的轴承安装面的支撑筋。

3 原始滑座结构的多目标优化

在拓扑优化分析基础上，为使滑座具更小的质量和更高的静刚度，使结构各项主要特征参数达到最优组合，本案中采用有限元分析软件中的模块，进行优化方式，对滑座结构进行离散参数优化分析。

根据结构特性建立相对应的目标函数、设计变量等。

（1）参数设置及其相关定义，如表2所示。

（2）设计变量定义：

X=（ds_11，ds_12，ds_13，ds_14，ds_15）

目标函数：

在保证刚度的基础上，追求最小的质量。主要输出的目标参数有：

P1—总质量Mass，滑座的整体重量，单位kg;

P2—总变形Maximum滑座最大变形值，单位mm;

从灵敏度质量响应可以看出，随着ds_11、ds_12、ds_14、 ds_15值的增加，输出质量随之增大;随着ds_13参数值的增加，输出质量随之减小。

从灵敏度变形响应可以看出，随着ds_13、ds_15值的增加结构的变形减小，其余参数的值增加结构的变形量增大。

4 滑座新结构分析

4.1 新结构模型建立

通过对滑座结构进行离散的目标参数优化分析综合，取平衡数值，滑座高度ds_11=322，横筋厚度ds_12=20，竖筋厚度ds_14=20，横筋个数ds_13=4，竖筋个数ds_15=4。

4.2 新结构变形

对新结构进行参数优化分析和验证分析，得出最终结构的静力学分析结果。采用和原结构加载的边界条件一致，为结果提供对比分析的依据。其最大变形及应力如表3所示结果。

5 结论

通过上面的分析对比可以得出以下结论：

（1）滑座优化设计后，结构更加合理，质量更加轻量化，在同等刚度条件下节省材料88.2kg左右，质量减少了11.9%，符合移动部件轻量化行业设计要求。

（2）最大变形原始结构为0.0047011mm，最终结构为0.0043461mm，变形减少了0.003550mm，刚度相应提高了1.33%。

（3）最大应力原始结构为27.474MPa，最终结构为10.787MPa，降低了16.786MPa，虽然改进前后都满足材料屈服极限要求，但改变了应力集中的位置。

由上述结论可知，借助正确的理论指导和先进的计算手段，有目标的优化结构，节约材料，提高产品设计质量和产品性能，节省设计人员的研发时间和实验成本，是一种有效的设计方法。由此逐步建立完整的数据库，可为今后的设计提供范例和参考。

参考文献：

[1]ANSYS Inc， ANSYS User's Manual[S]，2007.

[2]徐燕申.机械动态设计[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3]仿真科技论坛. http：//forum.simwe.com/

[4]楊姝.复杂机械结构拓扑优化若干问题研究[D]：[博士学位论文].大连：大连理工大学，2007.

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

[6]覃文杰，左正兴.机床整机动态特性分析[J].机械设计，2000（24）.