立式制動(dòng)盤專用加工中心立柱多目標(biāo)優(yōu)化
文章預(yù)覽：隨著制動(dòng)盤產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，現(xiàn)代制動(dòng)盤專用機(jī)床朝著高速、高效、專用、高精度的方向飛速發(fā)展，同時(shí)機(jī)床基礎(chǔ)零部件的結(jié)構(gòu)性能也在向科學(xué)性、合理性、輕量化研究領(lǐng)域逐步深入[1-2]。立柱和滑座（下座）作為機(jī)床系統(tǒng)中重要基礎(chǔ)部件之一，起著支撐滑板、伺服電機(jī)、伺服刀塔以及連接床身的作用。其性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)床自身的穩(wěn)定性、抗振性以及加工的精度和效率[3]。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展要求，為了提高機(jī)床的性能要求，需要對(duì)立柱滑座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱部分以及進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。有限元法近年來飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。借助有限元軟件ANSYS和有限元原理，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上以立柱滑座的輕量化作為研究目標(biāo)，利用響應(yīng)面法、靈敏度分析的途徑，對(duì)立柱滑座進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量的目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的第一階頻率和剛度。1立柱和滑座模型的建立機(jī)床立柱采用鑄鐵HT300,其泊松比0.27，密度為7350 kg/m3，彈性模量為126 GPa。利用SolidWorks對(duì)機(jī)床立柱和滑座進(jìn)行三維參數(shù)化建模，建模時(shí)忽略小于20mm的圓角、倒角等結(jié)構(gòu)以及其他小的結(jié)構(gòu)和特征[4-5]，這些小的結(jié)構(gòu)和特征在計(jì)算時(shí)占用大量內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，從而影響分析精度。將建好的模型通過軟件SolidWorks插件無縫連接到WorkBench中。對(duì)立柱滑座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到計(jì)算精度要求和計(jì)算方便，采用Tetrahedrons方法，該方法可以利用自身特有的性質(zhì)自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，從而提升網(wǎng)格質(zhì)量，并通過控制網(wǎng)格的尺寸來保證劃分的質(zhì)量。模型采用30 mm的四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型共劃分單元120 601個(gè)，節(jié)點(diǎn)195 928個(gè)。劃分后的有限元模型如圖1所示。隨著制動(dòng)盤產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，現(xiàn)代制動(dòng)盤專用機(jī)床朝著高速、高效、專用、高精度的方向飛速發(fā)展，同時(shí)機(jī)床基礎(chǔ)零部件的結(jié)構(gòu)性能也在向科學(xué)性、合理性、輕量化研究領(lǐng)域逐步深入[1-2]。立柱和滑座（下座）作為機(jī)床系統(tǒng)中重要基礎(chǔ)部件之一，起著支撐滑板、伺服電機(jī)、伺服刀塔以及連接床身的作用。其性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)床自身的穩(wěn)定性、抗振性以及加工的精度和效率[3]。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展要求，為了提高機(jī)床的性能要求，需要對(duì)立柱滑座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和靜力分析，以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱部分以及進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。有限元法近年來飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。借助有限元軟件ANSYS和有限元原理，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上以立柱滑座的輕量化作為研究目標(biāo)，利用響應(yīng)面法、靈敏度分析的途徑，對(duì)立柱滑座進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)減輕結(jié)構(gòu)重量的目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的第一階頻率和剛度。1立柱和滑座模型的建立機(jī)床立柱采用鑄鐵HT300,其泊松比0.27，密度為7350 kg/m3，彈性模量為126 GPa。利用SolidWorks對(duì)機(jī)床立柱和滑座進(jìn)行三維參數(shù)化建模，建模時(shí)忽略小于20mm的圓角、倒角等結(jié)構(gòu)以及其他小的結(jié)構(gòu)和特征[4-5]，這些小的結(jié)構(gòu)和特征在計(jì)算時(shí)占用大量內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，從而影響分析精度。將建好的模型通過軟件SolidWorks插件無縫連接到WorkBench中。對(duì)立柱滑座進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到計(jì)算精度要求和計(jì)算方便，采用Tetrahedrons方法，該方法可以利用自身特有的性質(zhì)自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，從而提升網(wǎng)格質(zhì)量，并通過控制網(wǎng)格的尺寸來保證劃分的質(zhì)量。模型采用30 mm的四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型共劃分單元120 601個(gè)，節(jié)點(diǎn)195 928個(gè)。劃分后的有限元模型如圖1所示。備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試！結(jié)束語：應(yīng)用有限元軟件SolidWorks對(duì)立柱滑座進(jìn)行了參數(shù)化建模，并通過Workbench對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)、靜力學(xué)分析，以及對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)面分析和優(yōu)化，找到了影響整體模型的關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸，并利用優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)立柱和滑座重新建模，得到新模型的一階頻率是171.25 Hz，提升了4.0%，質(zhì)量減少9.8%。******變形量有所提高，考慮實(shí)際工程應(yīng)用，符合工程要求范圍。結(jié)果表明，此次優(yōu)化分析，提高了一階頻率，減少了立柱和滑座的質(zhì)量，達(dá)到了輕量化的目的，同時(shí)新的立柱滑座滿足設(shè)計(jì)要求。