VHT800立式车铣加工中心立柱结构静动态优化及轻量化设计

研究了VHT800立式车铣加工中心立柱结构的静动态优化及轻量化设计方法,解决了企业经验设计结构存在的静、动态性能不足以及结构过于笨重的问题.首先基于机床实际典型工况下的立柱载荷及边界条件,运用拓扑优化技术建立了体积约束下的立柱结构多工况静态性能和动态性能多目标拓扑优化概念模型;然后对概念模型进行结构刚度设计及工艺设计.最终为企业提供了新的立柱结构方案,该方案的结构刚度和一阶固有频率比经验设计结构分别提高了13.6%和17.1%,同时质量减轻了9.7%,表明该设计方法能够有效提高机床立柱结构静、动态性能并实现结构轻量化设计.     

基于有限元分析的模具加工中心床身结构优化设计

机械结构的静、动刚度与布局有关,通过改变拓扑结构,可同时改善结构的静、动态性能.文章根据单自由度系统动、静刚度的关系,使用有限元分析(FEA)方法对模具加工中心床身部件进行结构静态和模态分析,提出了各种优化方案.经过优选,得到最佳布局,该结构已被生产厂家采用,投入制造,不仅使床身的静、动态性能大幅度提高,节省了材料,而且为加工中心床身结构设计提供了参考.     

五轴立加床身静动态特性分析与筋板拓扑优化

为减轻某五轴立加床身的质量并保证其静动态性能不降低,对其筋板进行改进。首先,对床身的静动态特性进行分析,发现床身的薄弱部位;其次,在此基础上,分别以刚度提高和固有频率提高为优化目标对床身进行拓扑优化;最后,考虑床身结构改变后铸造的难易程度,根据静动态分析结果以及两次拓扑优化材料去除区域重合部分对床身筋板进行改进。结果表明:改进筋板后,床身的铸造难度没有增加,最大变形量减小了14.9%,质量减轻了4.4%,前4阶固有频率也有不同程度的提高,为床身筋板结构的改进提供了一种思路。     

高刚性轻量化研球机床身结构优化设计

为提高研球机床身的静动刚度并减少床身质量,建立床身结构的有限元模型,通过有限元分析获得机床床身的静动态特性以及低阶固有频率。在此基础上利用尺寸优化和拓扑优化设计方法,对其进行了以减轻质量和提高结构刚度为目标的结构优化设计,最终完成对床身的综合优化。将优化后的床身与原床身进行比较,结果显示:综合优化后的床身最大变形量减少了19.45%,最大应力减小了12.24%,床身的质量下降了3.52%,并且前5阶固有频率均有明显提高。通过综合优化,提高了床身的工作性能,减轻了床身质量,该研究结果对提升机床床身刚度提供参考。     

直驱机床矿物质材料龙门框架优化设计及分析

为了加工直径320 mm,高度250 mm的工件,在保证各类相关尺寸的情况下设计了一种床身和龙门框架为矿物质材料的五轴直驱复合加工中心。为了减轻机床的质量并降低其重心,对矿物质材料龙门框架进行以提高模态性能和柔度最小化为目标的拓扑优化设计,再用多目标遗传算法对拓扑优化后的龙门框架进行尺寸优化,并前后多次对其动、静态性能进行仿真分析和比较。对比市场现有铸铁龙门框架与最终优化后的矿物质材料龙门框架,结果显示：矿物质材料龙门框架质量上降低了15.03％,最大变形降低了8.7％,最大应力降低56.68％,一阶固有频率增大了23.45％。优化后的矿物质材料龙门框架在静、动态特性以及轻量化方面都要明显优于铸铁龙门框架支承件。     

基于灵敏度分析的机床床身多目标优化研究

为了找到对某卧式加工中心床身结构性能影响较大的尺寸参数,对床身结构尺寸进行灵敏度分析,确定了对床身质量及一阶固有频率灵敏度较大的尺寸参数。以灵敏度较大的尺寸参数作为设计变量,考虑床身的质量及一阶固有频率,利用响应面法对床身进行多目标优化求解,得到了一组最优的尺寸参数。对优化后的床身结构进行有限元分析,结果表明,优化后的床身质量减轻了171kg,并且其静、动力学性能得到了明显改善。对优化前后的整机进行谐响应分析,发现参考点的最大振幅得到了大幅下降,极大地改善了机床的动态性能。     

基于拓扑优化的TBT深孔钻床主轴箱轻量化设计

以TBT-ML500深孔钻床主轴箱为研究对象,采用有限元分析结合拓扑优化的方法,在ANSYS平台上对其进行了结构轻量化设计。首先,利用Pro/E软件建立主轴箱初始结构的力学模型并基于ANSYS进行静、动态特性分析;在此基础上,利用变密度法对其进行了拓扑优化,优化目标是在保证主轴箱动、静态性能不降低的前提下,减轻主轴箱的质量;根据优化后的结果结合经验设计方法,对原结构进行了重构设计并进行有限元分析验证。结果表明:改进后的主轴箱结构,一阶固有频率提高了7.11%,质量减小了11.1%,实现了轻量化设计,动态性能也有一定的提高,从而为深孔机床其他关键零部件的结构优化提供了参考。     

钢纤维增强树脂混凝土超精密磨床床身材料设计及综合性能优化分析

为了探索提高机床床身综合性能的新途径，采用钢纤维增强树脂混凝土材料代替铸铁床身，通过“HORSFIELD最密堆积理论”、“贝雷法”以及排水法等理论确定钢纤维树脂混凝土组分质量分数，以优化其综合性能，并测试复合材料强度和阻尼性能参数。以铸铁床身为比对原型，设计了同款的钢纤维树脂混凝土床身新结构，借助于有限元软件对两种材料的床身进行了静、动态特性及轻质性分析和计算，并进行对比。结果表明：与铸铁床身相比，钢纤维树脂混凝土床身质量降低17.78%，最大整体变形和最大等效应力分别降低23%和76.83%，前6阶固有频率均有提升，在 X 、 Y 、 Z 三个方向最大振动幅值分别降低85.96%、68.49%、50.30%。以响应面优化方法对钢纤维树脂混凝土床身进行优化设计，与原设计方案相比，在保证床身轻量化的同时，其静、动态特性均有不同程度改善。     

立式加工中心主轴箱静动态特性分析及拓扑优化

主轴箱是立式加工中心的重要部件,其静动态特性对加工中心的加工精度以及平稳性有重要影响。以某型号立式加工中心主轴箱为研究对象,应用SolidWorks建立主轴箱的三维模型,利用ANSYS Workbench软件对其在典型工况下进行静动态特性分析。根据主轴箱静动态特性分析结果可对主轴箱结构进行优化设计。利用ANSYS Workbench中拓扑优化模块对主轴箱结构进行拓扑优化,根据拓扑优化结果以及实际工作情况,对主轴箱结构进行合理的改进。对比改进前后的分析结果可知:改进后主轴箱质量减少2.3%、最大等效应力减小3.34%,静刚度得到提高,达到优化目的。该研究结果为其他类型机床主轴箱优化设计提供参考     

多轴联动龙门式加工中心主体结构有限元分析

采用有限元软件SAMCEF Mecano,建立了多轴联动龙门式加工中心主体结构的仿真模型,基于结合面特性参数数据库,采用用户自定义矩阵来处理机床结合部的接触问题,对加工中心进行了静、动态特性分析,得出了加工中心的静刚度、模态振型、动刚度.找出了机床的薄弱环节.通过建立动态的有限元模型,对加工中心进行了动力学分析,得出不同时刻应力变化云图.验证了静、动态特性分析的正确性.这些内容为进一步的研究加工中心的动态特性、结构优化设计以及轻量化设计提供了重要依据.     

卧式加工中心立柱有限元分析及轻量化设计

以卧式加工中心立柱为研究对象,首先利用ANSYS Workbench平台构建其有限元模型,并对其进行静动态特性分析.研究分析结果发现立柱过大的质量将影响其整体性能的提升,是原设计的薄弱环节.然后对模型结构尺寸进行了灵敏度分析,得到对立柱性能影响较大的灵敏尺寸,并将其设置为最终优化设计变量.最后以灵敏尺寸作为优化参数、立柱质量作为优化目标、最大变形量和一阶固有频率作为约束条件对立柱进行了轻量化设计,在保证立柱刚度及固有频率的基础上显著地减小了立柱的质量,达到了轻量化设计的目的.     

立式加工中心床身结构有限元分析与优化

应用Pro/engineer软件建立三维模型,通过对加工中心GSVM6540B主要支承部件床身的不同筋板布置方式进行Ansys有限元分析,比较不同筋板布置方案对床身静、动态特性的影响,提出结构优化方案。     

基于拓扑优化与筋板布局的立柱轻量化设计

为了实现机床立柱结构的轻量化设计,对立柱进行拓扑优化研究,根据拓扑优化的材料分布结果设计了立柱的基本外形。根据立柱的外形特点,对比了5种不同类型筋板形式的单元结构,发现W形式的筋板结构材料消耗较少同时综合力学性能较优。选择W形式的筋板对立柱的外形结构进行布局及尺寸优化,得到了最终的立柱结构形式。对新的立柱结构进行有限元分析,结果表明,新设计立柱结构的质量减轻了8.3%,并且其静、动力学性能得到了不同程度的改善,实现了立柱结构的轻量化设计。     

基于拓扑优化的龙门加工中心横梁轻量化设计

以大型铝材构件高速高效龙门加工中心的焊接横梁为研究对象,确定其结构原始方案,并对该方案进行静动态特性分析,获取主轴组件沿机床Y/Z向移动时刀头的位移情况以及横梁的前六阶固有频率和振型。基于变密度法对连续体结构横梁进行了拓扑优化设计,建立了最大刚度设计的拓扑优化模型和特征值问题的结构动力学拓扑优化模型。在Hypermesh/Optisruct中建立了不同优化模型的目标函数、约束条件、优化变量,对横梁的板筋布置、后壁板分别进行的优化。与优化前的结构相比较横梁的重量减轻11.5%,实现了横梁的轻量化设计,同时横梁的综合性能得到了明显的改善。     

卧式加工中心床身蜂窝状支撑结构设计与优化

提出采用蜂窝状支撑结构对卧式加工中心床身进行性能优化的思路,即将床身原有支撑结构改为蜂窝状结构,并对各性能指标与原结构进行比较,分析优化效果。利用参数化建模方法,分析蜂窝状结构胞单元参数、排布方式、排布密度与床身一阶固有频率、质量、静变形、等效应力之间的关系,得到蜂窝状结构对床身最佳优化效果。利用响应面法建立参考数学模型设计改进方案,用灰色关联法对计算结果处理分析,并采用熵权法改进灰色关联法,使得其成为一种适于床身优化方案选择的评价标准。以我国西北某机床厂生产的某型卧式加工中心床身优化为例。选择蜂窝胞单元边长与筋板厚度为设计变量,利用ANSYS Workbench进行参数化设计,采用MATLAB软件进行数据处理和灰色关联法分析选出最佳优化方案。结果表明,优化后的机床床身各性能指标得到大幅度地提升。床身一阶固有频率提高约24. 1%,床身质量减轻约7. 4%,静变形降低约26%,等效应力减小约35. 1%。     

ANSYS下数控车床床身拓扑优化设计

为获得较好的设计方案,将有限元和结构拓扑优化方法应用于数控机床设计.以减重为优化目标,利用ANSYS对数控车床床身进行了拓扑优化,并利用Pro/Mechanica对优化结果进行了动静态分析.结果表明改进后的床身结构在保持原结构的静强度和动态特性的同时比原设计方案的用料减少了12.019kg.     

HDB-63高速卧式加工中心立柱动静态特性有限元分析

以高速卧式加工中心柱为研究对象,建立了其基于组合体的有限元模型并分析了结构特点.立柱连接着滑架和床身,是加工中心重要的连接部件.为保证加工中心的加工精度和静动态特性,有必要对立柱的静动态特性进行有限元分析,检验立柱的设计是否合理.对立柱进行了静力分析,分析结果表明立柱的变形主要集中在上部.对立柱进行了模态分析,分析结果表明其薄弱环节为两侧支撑.静力分析和模态分析的结果为立柱的结构优化指明了方向.     

树脂矿物复合材料加工中心床身静动态特性的研究

以某加工中心床身为研究对象,分别对由树脂矿物复合材料和铸铁材料制造的加工中心床身进行静动态特性分析。利用ABAQUS软件对两种床身在承受相同载荷条件下的变形进行了分析,研究了两种床身的固有频率和固有振型,并分析比较了是否考虑阻尼特性时两种床身的谐响应分析结果。结果显示：两种材料床身在静刚度接近的情况下,使用树脂矿物复合材料制作加工中心床身能有效提高床身的固有频率,并明显降低床身在受到外界激励时的动态响应。分析结果证明：采用树脂矿物复合材料制作的加工中心床身具有更好的动态特性,用树脂矿物复合材料作为机床床身有其独特的优点。     

大视场相位衬度CT转台轻量化设计

针对某大视场相位衬度CT实验装置转动惯量大、运动控制难、成像效率低等问题,采用有限元技术分析了原铸造转台的静动态性能,并以此作为设计约束,基于焊接结构重新对CT转台进行了轻量化设计。采用拓扑优化分析技术,对转台内腔材料分布情况进行了分析,然后根据材料拓扑结果布置了双夹层焊接形式的筋体结构。在OptiStruct中建立数学模型,以零件板厚作为设计变量,分析了板厚对转台质量、静刚度和系统一阶固有频率的灵敏度,并对转台板厚尺寸重新进行了优化匹配,最终优化后的转台相比原先转台减轻了57.6%。     

疲劳寿命约束下冷镦机床身的拓扑优化

如何满足预定寿命的要求是锻压机床轻量化设计需要解决的难点问题。针对冷镦机床身的材料、结构和工况特点,分析了冷镦机床身疲劳寿命的计算方法,提出了疲劳寿命约束下冷镦机床身的拓扑优化算法和过程。并以某型号冷镦机床身为例,运用ABAQUS有限元和Fe-safe疲劳寿命分析软件,实现了疲劳寿命作用下床身的拓扑优化迭代过程,验证了所提出的算法,有效地将疲劳寿命与拓扑优化以及再设计环节予以结合,从而同时满足床身轻量化和预定寿命的要求。