基于拓扑优化方法的机床立柱轻量化设计

以某型机床立柱为研究对象,开展了立柱结构的轻量化研究工作。首先,利用Hyperworks软件对立柱结构进行静态和动态特性分析,得到立柱在切削力工况下的应力、变形位移云图、固有频率、振型以及频率位移响应曲线;然后,采用变密度法以柔度最小为目标函数进行拓扑优化,根据拓扑优化云图得到立柱内壁的筋条排布形式;接着,提取加筋板的中面并建立2D模型,进行尺寸优化设计,得到加筋板的最优厚度尺寸;最后,将优化模型与原模型进行力学性能对比分析。优化结果显示:基于拓扑优化方法的机床立柱可在减轻重量的同时提高其静、动态特性。     

精密卧式加工中心立柱综合性能优化设计及分析

为提高精密卧式加工中心立柱的综合性能,采用拓扑优化与多目标参数优化相结合的系统优化方法对立柱进行分析及优化。利用ANSYS计算并分析了原始立柱的质量和静、动态性能。以立柱的刚度最大为目标,采用拓扑优化技术研究立柱的载荷传递路径。基于拓扑优化结果,分别以立柱的最大振幅和质量最小为优化目标,以立柱的最大静应力和最大静变形及质量不大于原始立柱相关参数为约束,对立柱进行多目标参数优化设计,确定了最佳结构和最佳参数的立柱。其与优化前相比:质量降低6.1%、静刚度和强度提高10%以上、各轴的最大振幅分别减小29.5%、26.7%、9.2%、最小动刚度分别提高43.5%、36.8%和8.8%。     

面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计,提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。首先利用有限元法(finite element analysis,FEA)对机床整机进行动力学分析,模态分析与谐响应分析结果表明立柱为影响整机动态性能的关键结构件。然后以立柱结构为优化目标,对立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化的材料分布情况设计了立柱的最优基本结构形式,再通过选择抗弯、抗扭刚度较好的W类型筋板进行布局与尺寸优化,得到了最终的立柱优化结构。最后对优化的立柱结构进行验证,分析结果表明:该结构设计方法有效地改善了整机的动态性能,在立柱质量减轻的前提下,优化后的整机前六阶固有频率均得到了不同程度的提高,其中一阶固有频率提高了10%以上;并且机床在x方向上的最大共振峰值下降了49.8%,y方向下降了70.1%,z方向下降了66.2%。     

高速立式加工中心立柱结构拓扑优化设计

采用连续体ICM拓扑优化方法,基于HyperMesh软件,提出以体积为目标位移为响应的结构拓扑优化模型,运用该模型完成XH786A立式加工中心立柱结构拓扑优化设计,其动静态性能有较大的改善,为后续的整机优化和详细设计提供了理论指导和设计原型.     

XH786A立式加工中心立柱结构拓扑优化设计

基于Hypermesh平台,采用连续体独立、连续、映射(ICM)拓扑优化方法,以模态频率为目标建立结构拓扑优化模型,完成了XH786A立式加工中心立柱结构拓扑优化设计。设计结构动、静态性能有较大的改善,为后续的整机优化和详细设计提供了理论指导和设计原型。     

摆线齿轮成形磨削机床立柱的多级优化研究

针对摆线轮成形磨床立柱优化过程中的复杂性,提出一种综合拓扑优化、结构仿生、尺寸优化的多级多目标优化设计方法,实现了立柱质量、一阶固有频率、最大应力及变形位移综合目标优化。以应变能最小为目标函数,以体积分数为约束,采用拓扑优化设计方法,确定了复杂载荷下摆线轮成形磨床立柱材料的最佳分布。以王莲叶脉和芭蕉叶柄为仿生目标,采用结构仿生优化设计方法,在立柱内部仿生空间设计仿生筋板,最大限度提升立柱整体性能。采用响应面模型遗传算法对立柱内部复杂结构尺寸进行优化,得到尺寸最优解。结果表明：在受载相同的情况下,优化后的立柱质量减轻18.4%,立柱最大应力减少23.6%,变形位移减少0.6%,一阶固有频率有所提升。     

卧式加工中心立柱有限元分析与优化

应用SolidWorks软件建立卧式加工中心立柱的三维模型,通过Simulation插件对立柱三维模型进行有限元静力学分析,得出立柱在最不利工况下的变形和应力分布.为提高卧式加工中心立柱的静态刚度,寻求更优的结构,对立柱模型填充实体后以最佳刚度质量比为目标进行拓扑优化,根据优化结果重新设计和布置筋型.对优化后的卧式加工...     

MM52160龙门导轨磨床立柱的拓扑优化

对MM52160龙门导轨磨床的立柱部分进行结构拓扑优化.建立立柱三维模型,对其进行静力学分析和模态分析.在原有模型不改变质量的情况下进行简化模型,结果表明：简化模型比原模型的最大静态位移减小了2.42 μm,第一阶固有频率提高了2.85％.对篱化模型进行拓扑优化,查看材料分布.对优化后的结构进行动静态刚度分析,分析结果表明：优化后的结构对比原模型后最大静态位移减小了0.81 μm,第一阶固有频率提高了3.72％,质量减少了15％.通过结构拓扑优化,优化后的结构动静态刚度提高了,质量减少了.     

基于满意度理论的卧式加工中心立柱性能优化

为了提高卧式加工中心的动态性能,针对关键结构件立柱,运用折衷规划法建立了以多工况柔度和1阶固有频率为目标函数的多目标优化数学模型,并引入满意度权重因子控制多工况权重比,进行拓扑优化后设计出新的立柱模型。对优化后的立柱进行验证,结果表明立柱的前4阶固有频率均有不同程度的提高,且通过优化有效地改善了卧式加工中心的动态性能,提高了自身的低阶固有频率,在三个坐标方向上的最大振幅比原模型分别下降了17%、77%和79%。     

基于动态性能的坐标机桥框立柱结构优化设计

从坐标机桥框结构的动态性能出发,利用有限元软件ANSYS workbench对坐标机桥框结构进行动力学分析,同时考虑到了螺栓结合面与气浮轴承结合面的刚度,最大程度保证了分析的可靠性。从动力学分析结果得出立柱结构是影响桥框结构动态性能的关键部件的结论。利用Hyperworks软件对立柱结构进行拓扑优化确定初步设计结构,再对其进行尺寸参数优化确定了最终结构。通过与原始结构性能的对比,发现优化后的立柱结构总质量较原始结构减小了20.5%,一阶固有频率提高了60.79%,二阶固有频率提高了34.02%,优化结果比较理想。     

基于逆向工程的小型钻床立柱结构优化

立柱的结构性能是机床工作稳定的关键。为了满足在减轻立柱质量的同时提高其动静态特性,文章从机床结构模型获取出发,通过三维扫描采集机床零部件点云数据,然后利用逆向建模技术将其转换为实体模型,再使用有限元仿真求解立柱的关键性指标并完成优化。在模型获取方面,使用2D分析比较立柱实体外轮廓与点云数据偏差,测得整体平均偏差为-0.050 9 mm,满足试验需求。在结构优化方面,采用多目标拓扑优化快速确定立柱结构整体布局,进一步使用尺寸优化减少总变形增大对机床加工精度的影响,实现在总变形基本不变的情况下,立柱1阶固有频率有效提高16%,质量减轻5.3%。该方法将逆向工程和有限元仿真集成运用,为有限元分析提供了逆向获取的模型参数,增加了结构优化的工程可靠性,为产品改进和再设计提供新思路,加快了新产品开发效率,节约了设计和制造成本。     

高速加工中心立柱结构的拓扑优化

基于连续体ICM拓扑优化方法,提出了以体积为约束条件,机床的固有频率为目标函数的结构动态设计方法.为提高拓扑优化的精度,在结构优化过程中,同时也考虑了非设计区域的动态特性.将该方法应用到XH6650高速加工中心的立柱结构优化中,从而提高了机床的整机动态特性.     

基于响应面法的加工中心立柱结构多级多目标参数优化设计

立柱是决定精密数控机床性能的关键部件之一,为实现立柱质量、沿主轴方向变形和低阶固有频率的综合优化,提出了一种结合拓扑结构和尺寸优化的多级优化设计方法。在第1级优化设计中,通过有限元拓扑结构分析,得到部件结构的优化方向,确定了立柱的内部结构方式。第2级优化中,针对高敏感性参数进行优化,以立柱内部肋板的厚度为例确定其最佳尺寸。在第3级优化中,针对决定立柱的重心尺寸和减重孔尺寸等敏感性相对较低的多个参数,采用中心复合设计的试验方法在设计空间内选取合适的分析样本点,并由有限元分析软件计算样本点响应值,运用最小二乘法建立设计输入与响应输出之间的二阶响应面模型,根据该模型进行设计空间内的优化求解。以某型号卧式加工中心的立柱为例,采用文中方法进行优化设计,得到Pareto最优解集。结果表明:经过该方法优化后得到最优的肋板布置方式及其他相关结构尺寸,与初始结构相比,立柱总体质量减少了47.98%,沿主轴方向的变形和低阶固有频率均在允许范围内,且减小了计算量,结果证明了该方法的可行性。     

高速加工中心立柱结构的拓扑优化

基于连续体ICM拓扑优化方法，提出了以体积为约束条件，机床的固有频率为目标函数的结构动态设计方法。为提高拓扑优化的精度，在结构优化过程中，同时也考虑了非设计区域的动态特性。将该方法应用到XH6650高速加工中心的立柱结构优化中，从而提高了机床的整机动态特性。     

基于有限元的落地镗铣床立柱优化设计

为完成某市嘉龙机械制造有限公司委托开发数控落地镗铣床的项目,从根本上提高TX6916落地镗铣床的动态性能和市场竞争力,采用有限元法对TX6916落地式镗铣床立柱进行模态分析,得到了立柱的振动特性(固有频率和主振型)。在不改变立柱主体结构的基础上对立柱进行拓扑优化设计,以立柱的体积为约束,立柱的第一阶自振频率为目标函数。在降低立柱筋板质量的条件下,提高了立柱的第一阶固有频率。为立柱的进一步优化提供了基础。     

卧式加工中心移动立柱的轻量化设计和拓扑优化分析

利用结构拓扑优化技术,实现了对卧式加工中心立柱的轻量化结构分析与设计。基于拓扑分析结论,按照结构优化设计的方法,提出了"去除立柱后方上部部分材料"和"立柱两侧适量减材"的两种轻量化设计方案。通过对以上两种方案各自模态数据的对比,得出立柱拓扑优化方案与原方案的对比结论,实现了利用结构拓扑优化的研究方法对机床典型支承件的结构轻量化设计及结构性能验证。     

象鼻式铣齿机立柱的优化设计

机床结构刚度的提高有助于提升机床加工精度及改善机床的动力学性能。基于结构仿生学,利用拓扑原理对象鼻式铣齿机立柱内部的筋板结构进行优化设计。对原型及改进后的立柱进行了静力、模态分析。结果表明,改进后的立柱质量减轻,刚度性能及力学性能得到明显提高。     

基于有限元的加工中心立柱多目标拓扑优化

以提高某型加工中心立柱的动静态特性为目的,在对立柱进行基于有限元法的静力分析和模态分析的基础上,利用折衷规划法和功效函数法对各目标进行处理,建立静刚度最大化和前两阶固有频率最大化的多目标拓扑优化数学模型;运用ANSYS对立柱进行多目标拓扑优化分析,依据分析得到的立柱结构材料最佳分布和立柱的设计经验,改进原立柱结构,再将改进后的立柱进行有限元分析验证。结果表明:改进后的立柱质量有所减小,动静态特性也得到显著改善。     

立式加工中心立柱动静态特性分析与拓扑优化

立柱是立式加工中心的重要支承件,其性能对机床的加工质量、可靠性以及稳定性等指标具有显著的影响。以Solid Works软件建立某立式加工中心立柱的实体模型,应用ANSYS Workbench软件对其在典型工况下进行静力学分析、模态分析与谐响应分析。分析结果与模态分析结果相吻合,1、2阶固有频率较低,容易出现共振,有必要对其结构进行优化。运用折衷规划法和平均频率法建立立柱动静态特性的联合拓扑优化数学模型,利用ANSYS软件对其结构进行多目标拓扑优化设计,从而为提高加工中心动静态性能和减重提供技术途径。     

基于相对密度机床立柱结构的动力学拓扑优化

构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,结构基频最大化为目标函数,满足结构工况和相对体积比为约束条件,采用启发式优化准则法进行迭代求解;基于该方法和等效质量块对机床立柱结构进行了动力学拓扑优化设计,再对优化后整机进行了动力学仿真.仿真结果表明,该优化设计模型可大大提高机床整机的动、静态特性,同时也验证了所提出的设计模型及优化准则的合理性和有效性.