高效立式加工中心立柱靜動態(tài)分析與結構優(yōu)化
1.立柱結構模型的建立 采用三維建模軟件 Solidworks 建立加工中心立柱數(shù)字化模型 并且為了能方便地在進行結構分析時獲得有效地計算結果 同時又能保證分析速度以及分析精度 首先對立柱模型進行結構簡化 去掉立柱結構中對分析影響不大的凸臺 螺紋孔以及倒角 進而得到簡化的立柱數(shù)字化模型2.立柱靜 動態(tài)性能分析 （1）單元選取及網格劃分 立柱的參數(shù)設定 材料為 HT250 各向同性 介質均勻 彈性模量 130 GPa 泊松比 =0.25 密度=7.4 g/mm3由于加工中心立柱的結構復雜 所以網格劃分將采用 Solidworks Simulation 中網格智能劃分方法 同時為了能夠減少單元數(shù)量 提高分析速度 選用高品質單元 劃分后節(jié)點總數(shù)為 93 626 單元數(shù)為52 494 （2）立柱的靜態(tài)分析 靜態(tài)分析是計算在固定載荷作用下結構產生的位移 應力以及應變 而且不需要考慮慣性和阻尼的影響 在 進行有限元分析時約束施加在立柱底部與床身接觸的 4 個方形區(qū)域 立柱所受工作載荷主要是主軸箱的重力和切削力 以鉆孔為典型工況 立柱受力如圖 2 所示 沿 軸方向的載荷分別為 1= 2=177.9 N 3= 4=233.1 N 沿 軸方向的載荷分別為 1= 2=277.1 N 3= 4=-266.1 N 以及沿 軸方向的載荷 =271.4 N 將數(shù)字化模型導入 Solidworks Simulation 便可進行求解運算 求解后的立柱位移云圖如圖 3 圖 4所示 由圖 3 圖 4 可以看出 向位移變化量******其******變形量為 6.55e-4 mm 并且發(fā)生在立柱的垂直壁上 而 向變形較小 可以忽略 因此可以通過改變肋板厚 立柱壁厚以及改變肋板布局來提高立柱的剛度 （3）立柱的動態(tài)分析 動態(tài)性能分析可以反映出結構的 個振動特性參數(shù) 即固有頻率和振型 這 個特性是動態(tài)分析中 個重要的參數(shù) 因在動態(tài)性能分析中與載荷無關 因而能夠充分體現(xiàn)結構特性 并且可以從分析結果中看出其結構的薄弱環(huán)節(jié) 從而為結構優(yōu)化提供依據模態(tài)分析中該立柱的約束施加在立柱底部與床身接觸的 個方形區(qū)域 立柱的振動是由各階振型的線性疊加 其低階振型比高階振型影響大 越是低階影響越大 低階振型對立柱的動態(tài)性能起決定作用 因此 取立柱的前 階模態(tài)振型進行動態(tài)性能分析將數(shù)字化模型和約束導入 Solidworks Simulation便可進行求解運算 運行計算后 可得到立柱的前 5階固有頻率和振型 由圖 5 圖 9可知 前 階固有頻率分別為 146.48Hz 164.43 Hz 300.59 Hz 434.27 Hz 446.24 Hz 第 1階振型主要表現(xiàn)為立柱上部沿 軸搖擺振動 第 2階振型主要表現(xiàn)為立柱上部沿 軸搖擺振動 第 3階振型主要表現(xiàn)為立柱沿 軸扭轉振動 第 4 階振型主要表現(xiàn)為在中間開窗部分做內凹振動 第 5 階振型類似于第3階振型,。可見第1,、第2,、第4階振 型為局部振動，而第3,、第5振型為整體振動。第1,、 第2階振型的固有頻率較低,，可通過強化立柱剛度 來提高的動態(tài)性能。3立柱結構參數(shù)優(yōu)化通過對加工中心立柱的靜,、動態(tài)性能分析可知,， 其影響因素主要有立柱的剛度,、主軸箱的重量,、工況,、 切削載荷和立柱材料等。若改善立柱的靜,、動態(tài)性 能,，最有效的方法就是提高立柱的剛度。(1)立柱設計方案的確定立柱的剛度與截面形狀和尺寸有關,，而影響立 柱的截面形狀和尺寸因素很多,，選擇截面形狀和尺 寸較優(yōu)的立柱，就成為一件非常繁瑣的工作,。采用 正交試驗法，將會降低試驗次數(shù),，從而減少一些不 必要的工作量,。①選擇立柱壁厚、肋板厚,、頂部開窗大小作為 正交試驗的3個因素,；②根據每一設計參數(shù)的范圍 內選取3個不同水平的值;③選取正交試驗表L9(34),， 由此確定9個正交設計方案如表1所示,。表1 正交試驗方案 試驗號 壁厚 /mm 肋板厚 /mm 開窗大小 /mm2 變形量 /mm 1階頻率 /Hz 1 18 14 100x280 7.22e-4 142.79 2 18 16 120x300 7.11e-4 143.44 3 18 18 140x320 7.02e-4 143.99 4 20 14 120x300 6.69e-4 145.88 5 20 16 140x320 6.57e-4 146.35 6 20 18 100x280 6.64e-4 145.94 7 22 14 140x320 6.23e-4 148.24 8 22 16 100x280 6.29e-4 147.49 9 22 18 120x300 6.22e-4 147.82 應用Solidworks分別建立9個方案的立柱數(shù)字化 模型，然后導入有限兀分析軟件Solidworks Simulation 進行求解運算,，得出9個方案立柱的動靜態(tài)特性分 析結果即變形量與1階頻率如表1所示,。(2) 立柱參數(shù)多目標模糊優(yōu)化多目標模糊優(yōu)化理論是在基于求解各單目標 問題滿意解的基礎上尋求多目標最優(yōu)解，能夠充分 體現(xiàn)它們之間的相互關系,，可以較好地兼顧多個目 標,，且各目標之間的相對重要性可以通過權重加以 體現(xiàn)。為了綜合考慮各因素對立柱結構的影響,，現(xiàn)以 模糊綜合評價值作為綜合評價指標。以變形量,、1階 頻率為評價指標集^=|匕,，。以正交試驗設計的 9個設計方案為評價對象集,，D=|di,，d2,，…,，本,！,。建立 評價指標集U對評價級V的隸屬函數(shù)，使根據隸屬 函數(shù)計算得到的隸屬度值的大小與該指標在綜合評價中的重要性相適應，隸屬函數(shù)為單調函數(shù),。表2單指標的隸屬度值和模糊綜合評價值 試 驗 壁厚 /mm C1 肋板厚 /mm C2 開窗大小 /mm C3 變形 量 r1n 1階 頻率 綜合 評價值 bn 1 18 14 100x280 0.00 0.000 0 0.000 0 2 18 16 120x300 0.11 0.119 3 0.1147 3 18 18 140x320 0.20 0.220 2 0.210 1 4 20 14 120x300 0.53 0.567 0 0.548 5 5 20 16 140x320 0.65 0.653 2 0.651 6 6 20 18 100x280 0.58 0.578 0 0.579 0 7 22 14 140x320 0.99 1.000 0 0.995 0 8 22 16 100x280 0.93 0.862 4 0.896 2 9 22 18 120x300 1.00 0.923 0 0.961 5 A是指標集U上的模糊子集，稱為權重分配 集,，它反映各指標的重要程度,。在立柱設計中,，變形 量和1階頻率直接影響其加工的精度，各取權重為 0.5,。由此模糊子集A確定為:A=|0.5/Y1,，0.5/Y2l，簡 記為:A=|0.5,0.5!,。在評價集V上引入一個模糊子集B,，稱為評價 級，它的模糊評價B=|b1,，b2,…,，b9!,，由模糊矩陣R 與權重分配集A經模糊變換得到:B=AoR。模糊運 算方法有多種,，采用M(.,，+ )算子對B=AoR進行模 糊變換，得到綜合評價模糊子集B的隸屬度b„,，即 模糊綜合評價值,，如表2所示。由主效應分析計算,，可知3個設計參數(shù)對立柱 綜合性能的影響程度從大到小依次為壁厚,、頂部開 窗大小,、肋板厚,；由兩因素之間的交互效應分折可 知,，壁厚與開窗大小的交互效應******；由全部因素 各水平搭配的交互效應分析可知,，在全部可能的3 種因素各水平搭配中,，壁厚22 mm,、肋板厚18 mm、開 窗大小140 mmx320 mm對綜合評價值的影響******,。 因此在考慮交互作用情況下,，這種參數(shù)組合得到的 綜合評價值最好。(2) 優(yōu)化后立柱結構性能分析根據模糊綜合評價值最好的立柱設計參數(shù)：壁厚22 mm,、肋板厚18 mm、開窗大小140 mmx320 mm,， 應用Solidworks建立該方案的立柱數(shù)字化模型,，并 導入有限兀分析軟件Solidworks Simulation中進行 有限兀靜、動態(tài)特性分析,。根據優(yōu)化前,、后立柱結構的有限元分析結果， 將******變形量,、1階固有頻率幾個最重要的指標匯 總如表3所示,。 由表3結果表明,，優(yōu)化后的立柱結構與優(yōu)化前設計結構******位移減小了 6%，1階固有頻率增加了1.2%,。 表3立柱優(yōu)化前后設計方案靜動態(tài)分析結果比較 方案 固有頻率/Hz 位移 /mm 1階 2階 3階 4階 5階 原設計 146.48 164.43 300.59 434.27 446.24 6.55e-4 優(yōu)化后 148.22 165.52 303.29 439.74 445.36 6.16e-4 變化量 1.74 1.09 2.7 5.47 -0.88 -3.9e-5 % 1.2 0.6 0.9 1.3 -0.2 -6 4結語 應用Simulation有限元分析軟件，對所設計的 高效立式加工中心立柱進行了靜,、動態(tài)特性分析,， 獲得了立柱在不同方向上的受力變形，通過對立柱 的固有頻率及振型的分析,，獲得了立柱的動態(tài)特性 參數(shù)。綜合運用正交試驗設計,、模糊數(shù)學和有限元 分析理論,，對立柱的結構參數(shù)進行了多目標模糊優(yōu) 化。分析表明,，通過Soildworks Simulation有限元分析方法對加工中心立柱進行靜,、動態(tài)特性分析，可以 快速有效地確定立柱結構參數(shù)的最優(yōu)方案,，縮短產 品的試驗周期以及大量的試驗和計算工作,，為機床 結構優(yōu)化設計提供了一種新的途徑。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網絡僅供學習參考,，轉載請注明,！