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1、数控机床拓扑优化分析韶关西格玛技术 陈常清摘要：本文以ansys12.0有限元软件为平台，将体积减小50%、前5阶固有频率一致最大为目标函数，对某型号数控机床床身进行拓扑优化。经过拓扑优化计算，数控机床床身固有频率有了一定的增加，同时机床体积也减小50%。1 前言 床身是数控机床的重要部件，它的动态特性和静态特性直接影响车床的加工精度和精度的稳定性。机床床身的设计最初是基于传统的经验设计，采用的是材料力学、理论力学等理论，这对于体积小、结构简单的物理结构是可行的，但对于床身这种体积较大、结构复杂的结构则需要很长的设计、实验周期12。本文以ansys软件为平台对机床床身进行拓扑优化设计，力求在传
2、统设计的基础上提高床身动态特性、同时减小质量。2 拓扑优化简介3拓扑优化是结构优化的一种，拓扑优化以材料分布为优越对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布分布材料的设计空间找到最佳分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度，获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的一个方面。拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散体结构拓扑优化。不论哪个领域都要依赖于有限元方法。目前连续拓扑优化方法主要有均匀化方法、变密度法、渐进结构优化以及水平集方法等。离散体结构拓扑优化主要是在基结构方法基础上采用不同的优化策略进行求解，比如程狄东的松弛方法，基于遗传算法的拓扑优化等。3 数控机床床身
3、的模态分析3.1 物理模型的建立 在workbench中建立床身物理模型，忽略一些倒角、螺孔等对整体结构影响不大的特征，如图1所示。图1 数控机床床身3.2 网格划分拓扑优化只支持plane2和plane82二维单元，以及solid92和solid95三维单元，且只对编号为1 的单元有效，因此我们用solid92单元对床身进行网格划分，采用自由网格划分技术，导轨及工作台表面上的单元编号设置为1，其它部分单元设置为2。网格划分的结果如图2.（单元总数：94967，节点总数：149700）图2 网格模型3.3 后处理叛图3借 一辣阶模贩态振雕型组图4牌 二涛阶模刊态振霜型钞图5层 三颤阶模卖态振刻
4、型吐图6宝 四银阶模刚态振诸型记图7欣 五余阶阶阻模态呈振型鞭通过侮计算宾数控漫车床滩床身蛇的固姑有频戚率和乒振形吓，来聋分析题床身师的动司态特咐性及章结构谷刚度垒的薄闯弱环插节，螺其结底果可耳作为顿对床谅身结赵构进宅行优倦化设仁计和件结构亦改进办的理盆论依架据。处利用陷an族sy康s1为2.测0软趁件提截供的淡su容bs搭pa竹ce豆法对伟床身慧的结须构进路行模摊态分烂析，舍并提预取前代5阶旨振形放。其陵固有踩频率呈及各尽阶振造型如慎表1锈所示牵。抵表1耐 床第身固球有频览率及愚相应吉振形币阶 爆 数乘固有意频率害/H狂Z领振 衬 形晃1缝41淘6.蛇13哄沿z汤轴摆旬动煌2渐66俭1.义8
5、8娇沿y客轴上讽下摆章动桂3宁78虏0.仗20奋沿x督轴扭皂动床4事12姻07令.4顽沿x逢平动娃5轿12传23钥.8辛沿z慕轴二胸弯伞4 贱拓扑赏优化颜分析耀4.赚1 到条件洲设置繁（a环） 干体积轻减小段50非%恼（b咽）拓寻扑功事能选才择r瓦ec呼ip除ro怕l费（c嗓）拓银扑目慈标选碎择m浅fr拿eq瘦（频猛率）揉（d锅）前铅5阶炸固有点频率轮一致劣最小水为目免标削4.泪2 固后处组理洋图8到是优畏化后泪的伪职密度短云图奥，不抽是正杠真的其密度抛，它融是拓良扑优举化后辱与优坦化前夕材料抱密度枕的比迹值，助其大洽小范刺围（睁0，刺1）育。密练度越缓小，直说明悉这部恒分结刮构对劈整体汤机构
6、佳影响恶就越且小，受可以止将这阀部分慈材料突除去鸦。从躺图8复中发考现在岭床身制两端勇及中度间部坊位，床有些医结构凉是可伏以祛嫌除的裹。通娇过a暂ns得ys苗单元第表功想能将爽密度穷在0犁.8令1烫的单障元绘吊制出愤来，杏如图恩9所挽示，延缺少券的单赴元为删可以但祛除厌的材托料。绵表2蚕 为导拓扑弦优化道前后史床身击固有属频率况的对猜比，模可以债看出座，优鸟化后尺结构缩的各碧阶固丽有频谎率都钉得到贴不同权程度扩的提甜高，拳但第永四阶拖固有晚频率寸有所灯减小宵。距图9灯 密俩度在粘0.碌8恳1的燕单元往表2即 拓膏扑优健化后暂床身落的固僻有频旗率目阶数走频率戒相对碌优化缘前的筹变化木率番1具43
7、兔4.脂45茶4.菠4%钟2突71赶3.基74搬7.先84逃%乱3尚80浙6.艰72娇3.曾4%殿4矿11叛55奇.0况-4让.3岁%住5示12物49星.0庙2.钉06鸦%蛇5 并结论崭通过臭对数匹控机广床床种身的远模态帆分析嚷及拓廉扑优尊化分鞭析可颈以发侍现：（1） 奉拓扑绢优化杂后，才床身洪的各悠阶固陵有频占率都眼有了易一定笛的提贝高，辨第四舰阶模城态除王外。君这表距明优始化后讽床身其的动唉态刚锦度增存加，饼那么株加工省精度隙及精犹度稳魔定性覆也会苍提升辣。（2） 寇在动各态刚尽度增良加的桨基础狠上，满床身馅的体嚷积也配减小覆，这迅表明泉床身停质量铸减小泰，机芽床的记操作航将更塘加灵扫活，
8、铲与此洒同时不床身辣的材胸料成绝本也强将降帐低。狱参考六文献尊1屈 鼓魏国查峰钩,旗宫谨莹朗,奇王可巍黎,明陈佳曾莹.唐 瓣基于风an撑sy音s数责控车禾床床次身有锋限元友结构嚷分析雷. 狠黑龙虾江工吵程学代院学刘报（搬自然摧科学缠版）警,2凯00旧8，碑22轰（4卡）:宋37级-4箱0劣2泥 元周祥穿曼码，陕田启温华棍，横杜义眉贤.华基于斜an田sy傲s的育数控姨插齿赠机床台床身棋拓扑晨优化专设计谎.煤妖矿机堆械,答20肺10录,3偷1(照6)另:2堵8-魔30简3仪 匠张朝机辉.滋an写sy刺s1毛2.引0结瘦构工稻程应确用实锤力解资析（公第三巡版）凤.机因械工猴业出缺版社翁，2芹01粉0.劳1:油53充9-邀54圆5
