基于拓扑优化的薄壁零件装夹布局确定方法

在复杂薄壁件加工过程中,合理的定位点配置可以有效降低加工变形。为了解决薄壁件定位支撑结构的优化设计问题,文章建立了以刚度为目标函数,体积为约束函数的拓扑优化模型。模型将夹具与工件看作同一实体,采取多组件多约束的拓扑优化方法,利用大型商用软件Ansys Work-bench中的拓扑优化设计模块对零件的定位支撑结构进行拓扑优化设计,并对不同支撑条件的变形仿真结果进行了比较,证明了拓扑优化方法在夹具设计中应用的可行性。     

滚动直线导轨校直压头与支撑结构优化北大核心

依据弹塑性变形原理,分析了导轨在压力校直过程中的变形情况,在现有基于初始弯曲曲率的导轨校直行程计算公式以及导轨校直过程中挠曲线变形方程的基础上,对全自动导轨校直机的压头与支撑进行了优化设计,通过增加圆弧结构,减少压头支撑变形,提高校直质量;通过ANSYS软件对校直过程进行有限元仿真,发现优化后,压头支撑变形减小到了优化前的36%,导轨直线度误差减小到了优化前的30%,从而证明该优化结构更适用于全自动导轨校直机。     

压力机上梁结构多目标优化设计

为了满足锻压机上梁结构在工作过程中高强度、轻量化的设计要求,提出了一种多目标优化方法。该方法将锻压机上梁结构的11个参数作为设计变量,并经过参数相关性分析和筛选后,得到对上梁结构结性能影响灵敏度较高的3个设计变量。通过以质量最小、变形最小和应力最大为优化目标,成功地实现了对上梁结构进行多目标优化。研究结果表明,在满足应力和变形的两个条件下,降低了上梁结构的质量,达到多目标优化设计要求,符合现代机械设备绿色制造和设备轻量化设计的发展方向。     

立式加工中心立柱多目标优化设计

在PROE和ANSYS Workbench的平台上建立VL855加工中心立柱结构的参数化模型,进行Static Structural和Modal分析;通过灵敏度分析选定立柱的壁厚、导轨面凸台厚度、筋板厚度、螺栓槽间距为优化的设计变量,立柱的质量、最大变形、第一阶段振型作为目标变量,进行多目标优化。结果表明:优化后,立柱质量减少5.2%,立柱在同样载荷情况下变形量与优化前变形量相近,其低阶模态有所提高,满足工作状态动态要求。     

基于多目标的机床结构优化设计研究

在考虑地脚支撑对整机性能影响的前提下,提出了一种确定机床整机优化目标、并基于拓扑分析与多目标尺寸分析对机床整机性能进行优化的方法。通过有限元仿真的方法对整机进行动静态特性分析,以识别整机动静态特性中的薄弱环节与易轻量化环节。选取床身结构为优化对象,首先通过仿真分析了地脚数量与结构固有频率的关系,对地脚支撑数量及其布局进行了优化。进而以地脚支撑优化结果作为床身结构优化的边界条件,基于元结构的多目标优化方法,确定了床身的拓扑结构及关键尺寸参数。结果表明,在整机质量减轻174kg的情况下,优化后的砂轮最大响应幅值减少25%以上,最大响应幅值对应的频率提高10%以上,验证了文中提出方法的有效性。     

基于响应面分析法的开式预弯机轻量化设计

针对一款公称力为22000 kN的开式液压预弯机,在生产前检测其机身结构设计是否满足变形与应力的要求,并且在此基础上降低安全系数以优化结构和进行轻量化设计,将其三维模型进行一定简化。在有限元分析软件ANSYS-Workbench中对预弯机进行静力学分析,确定最大变形量和应力集中分布的结构位置。将对预弯机最大应力影响较大的上横梁焊件和基座焊件的侧板及筋板等4个结构尺寸设为参数,以质量最小为优化目标,约束最大应力和最大变形以及结构尺寸,建立目标函数的优化数学模型。以响应面分析法对预弯机进行轻量化设计,通过中心复合设计产生49组实验数据,筛选和优化后结果显示预弯机质量减轻8330 kg,应力与变形满足设计和材料要求。     

超宽对称式三辊滚弯工艺上辊挠度补偿优化

针对超宽对称式三辊滚弯机的上辊受板材成形力的反作用力作用,挠曲变形较为明显,从而导致成形板材精度不足的问题,对上辊的受力变形进行分析,并利用ABAQUS有限元分析软件对超长铝合金板材滚弯工艺进行三维动态仿真。为了解决仿真中圆柱体刚性支撑与可变形上辊间的穿透现象,设计开发了有效的补偿结构——一种可简化为支撑块的绕上辊环形分布的多辊支撑结构。相较于传统的双辊支撑结构,多辊支撑结构模型减小上辊挠度的效果更优,且其简化的支撑块模型有效地消除了穿透现象。利用有限元法结合响应曲面法,探究支撑块各物理参数对上辊挠度补偿的影响规律,结果表明,上辊最大挠度随着支撑块组数、长度、宽度的增加而减小;并基于优化目标设计支撑块的最优参数组合。     

双主轴铣削加工中心立柱的静动特性分析及多目标优化

针对采用传统方法设计的立柱静、动刚度存在薄弱和不足的问题,通过建立立柱受力模型,对立柱进行静力分析、模态分析以及谐响应分析,确定立柱静动刚度薄弱的部位和方向;根据分析结果,选取8个结构尺寸为设计变量,以总变形量、前3阶频率加权平均值和质量为优化目标,建立多目标优化数学模型,通过多目标遗传算法和灵敏度分析得到优化结果。结果表明:立柱总变形量减小了5.5%,质量减少了1.2%,前3阶频率加权平均值增加了2.17%,X、Y方向峰值响应分别减小了75.5%、75.44%,达到了优化的目的。     

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%。     

基于最优拓扑概念构型的压力机机身精度优化

为提高压力机的结构刚度、保证压力机机身在工作状态下的精度，以JH31-250压力机为研究对象，探索压力机机身结构的优化设计方法。采用Abaqus软件对压力机机身进行结构模态与静强度分析，并运用拓扑优化技术对机身结构进行概念构型寻优，据此选定两侧壁支撑结构作为设计域进行构型和尺寸优化。以规整后机身筋板结构的几何尺寸为优化参数、以工作台与机身曲轴支撑孔间的相对位移为优化目标，建立响应面模型，结合粒子群算法进行模型寻优，获取最优的结构几何参数，最终实现对压力机机身结构的优化设计。优化结果表明：优化前压力机机身内侧及方孔前侧存在明显的应力集中现象，优化后机身结构的等效应力与总位移均有所下降，工作台与支撑孔间的相对位移为0.2548 mm,变形量下降了40.03%,机身工作精度得到提高。对优化后机身结构进行动力学分析验证，发现在多种工作激振源频率下，优化后压力机结构不会发生共振现象，满足使用要求。研究结构可为同类型产品结构优化提供参考。     

基于灵敏度分析与响应面模型的机床主轴箱优化设计

针对机床主轴箱结构优化设计中模型复杂及计算量大的问题,提出一种将灵敏度分析与响应面模型相结合的优化办法。以箱体壁厚和筋板尺寸为输入参数,主轴箱质量、最大变形、最大应力、1阶固有频率作为目标参数进行灵敏度分析,筛选出6个关键尺寸作为优化参数;采用最佳填充空间设计法和Kriging函数法构建主轴箱响应面模型,通过多目标遗传算法对响应面模型进行求解计算。最后对优化后的主轴箱进行有限元分析来验证求解的准确性,优化后的主轴箱质量减轻了13.58%,可以为机床其他类型零部件优化提供参考。     

超短半径水平井导向筛管结构优化设计

导向筛管是超短半径水平井柔性钻具的重要组成部分,其结构尺寸的合理性直接影响钻具的造斜能力。基于导向筛管与井眼曲率相匹配的条件,采用贝塞尔曲线拟合导向筛管运动轨迹方程,得到导向筛管单节最大长度。在满足强度和弯曲刚度条件基础上,对各结构参数进行了优化。采用有限单元法,考虑导向筛管的材料非线性及横缝之间的接触非线性,建立了导向筛管有限元模型,并给出了求解策略。对优化后的单节导向筛管进行力学分析,验证了导向筛管结构优化设计的合理性。研究成果为导向筛管开槽结构设计提供理论参考,为超短半径水平井的成功钻进提供必要的工具支持。     

基于模态应变能灵敏度的数控机床床身结构分析与优化

基于床身有限元模型进行模态分析,选取1阶模态下模态应变能集中的位置,引入灵敏度分析方法对床身的设计尺寸进行优化。优化结果表明:优化后1阶模态应变能分布均匀,降低了床身质量,同时可以减少结构优化的盲目性,提高优化效率。文中的优化设计过程与方法可推广到机床其他部件的结构动态性能优化中,从而为机床整体结构动态特性的改进、优化设计提供了重要的方法和理论依据。     

T2120深孔钻镗床床身的结构分析与优化设计

以T2120深孔钻镗床床身结构优化为例,利用ANSYS的APDL语言建立了T2120深孔钻镗床床身参数化的三维实体有限元模型;利用ANSYS中Block Lanczos方法对床身结构进行模态分析,得到了前5阶固有频率及前3阶低频振型;利用ANSYS中Design Opt模块,在基频约束情况下对床身结构的参数做了进一步的优化,获得了较为理想的机床床身结构尺寸。结果表明:在保证床身各种性能的前提下,床身优化后的质量比优化前减少了7.23%,同时表明APDL的使用,对加快分析进度、提高设计效率具有重要的指导意义。     

磁悬浮直线进给单元工作台模态分析

磁悬浮直线进给单元是一种新型的机床功能部件,振动问题是其结构设计中所面临的问题之一,它会造成机床的加工误差,影响零件的加工精度和表面质量。建立了进给单元工作台的三维有限元模型,利用有限元分析软件ANSYS对工作台初始模型进行模态分析,求得其固有频率和振型,并据此改进工作台的结构,以便在设计阶段预测工作台的性能,并为工作台的结构优化提供理论依据。     

卧式摆头加工中心动横梁热固耦合特性研究

以五轴加工中心为代表的高端数控机床是国家重要战略物资,具有很高的综合性能需求。基于热固耦合分析方法,针对卧式加工中心中承载摆角铣头的动横梁进行结构特性研究。建立焊接式动横梁的实体单元热固耦合有限元模型并进行仿真,分析动横梁在结构静力载荷和热载荷综合作用下的变形和应力。采用多元回归拟合方法,研究不同结构参数对动横梁结构特性的影响规律,并根据影响规律对结构参数进行优化调整。在质量基本不变的情况下,优化后的动横梁焊接结构的 Y 轴最大位移减少了10.489%,最大应力减少了41.06%。     

立式钻床立柱结构动静态分析与结构改进

以有限元理论为基础,建立立式钻床立柱结构的参数化模型,进行静态有限元分析,分析立柱结构承载及变形特点。在此基础上,采用选型法对立柱进行结构改进,并对改进后的模型做动态性能分析。结果表明:优化后,立柱静态性能提高,质量减少12.8%;立柱固有频率值与原固有频率值相近,满足结构动态性能的要求。     

基于热设计的立式数控铣床主轴箱多目标设计与研究

主轴箱作为主轴系统不可或缺的一部分,其热误差是影响数控机床加工精度的重要因素之一。以热设计为核心,通过结合田口法和有限元法,对主轴箱进行多目标优化设计与研究。搭建了主轴系统热态特性实验平台,以某机床厂的立式数控铣床为研究对象,获得其主轴系统的温度数据;根据实验测得的数据建立9组主轴箱优化模型;采用有限元法对温度-结构场耦合的9组模型进行仿真分析,得到各组模型的温度场分布云图和热变形分布云图,并进一步获得主轴箱结构优化结果和较优水平的主次因素参数组合。结果表明:对主轴箱热变形影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、肋板宽度A、距离C;对主轴箱质量影响程度由高到低的因素为底板长度L、距离B、距离C、肋板宽度A。该研究为降低数控机床研发成本提供了参考。     

扁挤压筒接触应力和变形的分析

应用ANSYS接触单元法，分析了受项紧作用的三层套扁挤压筒接触应力和接触变形规律。结果指出沿接触面接触应力和变形分布的不均匀性，为扁挤压筒装配和结构优化提供了依据，其中接触单元法也为扁挤压筒项紧分析提供了一条可行的途径。     

龙门加工中心主轴滑枕结构有限元分析技术研究

龙门加工中心主轴滑枕结构是连接刀具和机床的一个重要部件,其受切削力和受热变形将直接影响刀具的加工精度.通过建立龙门加工中心主轴滑枕结构的有限元分析模型,在计算热源发热量以及主轴滑枕结构热边界条件的基础上,利用ANSYS有限元分析软件在其工作状态下进行切削力变形分析、稳态热变形分析以及热-结构耦合分析.得到了主轴不同转速条件下主轴滑枕结构热态性能及刀盘直径方向变形规律,为该型龙门加工中心主轴滑枕结构优化设计和热变形补偿提供了理论依据.