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精益研发方法学

基于ANSYS的加工中心滑座拓扑优化设计

发表时间:2008/08/22 来源:万方数据   作者:张向宇  熊计  郝锌  赖人铭  
关键字:Ansys  PRO/E  有限元  前滑座  拓扑优化  
分析了TH65100卧式加工中心的前滑座,使用PRO/E软件建立机床前滑座的三维模型。通过PRO/E软件与ANSYS软件的嵌套。将PRO/E软件中的三维实体导进有限元分析软件ANSYS中,利用ANSYS软件的静力分析功能,对进给状态下的滑座做有限元计算,并根据计算结果校核了滑座的静强度。使用ANSYS软件中的拓扑优化模块对滑座结构进行改进。改进后的滑座结构保持了原结构的静强度和刚度,但比原设计方案的用料减少了36.95 kg。

    根据设计变量类型不同,结构优化可以分为:尺寸优化、形状优化、拓扑布局优化以及结构类型优化。近年来,尺寸优化、形状优化发展已经较为成熟,随着有限元方法、数学规划和计算机的发展,结构拓扑优化成为研究热点。结构拓扑优化是在给定的载荷及边界条件下,确定材料在设计空间的最优分布。按照其研究对象可分为骨架类结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化⋯。目前国内的拓扑优化模型一般只能实现二维平面及简单三维结构的设计,研究与应用力度不够,缺少具有求解大型复杂结构、多工况下的设计平台。本文针对TH65100卧式加工中心前滑座结构采用连续体结构拓扑优化方法,建立前滑座结构的拓扑优化模型,实现完整的三维结构设计,为进一步的结构详细设计提供了设计原型口1。

    1 模型的建立

    前滑座模型的建立是用三维建模软件PRO/E建立的。大小与尺寸严格按照图纸尺寸进行,模型如1。

    综合考虑计算精度的影响及有限元模型的计算规模,根据圣维南原理,对部分局部特征如倒角(圆)、凸台、螺钉孔、油孔和水孔等进行了适当的简化。

    图1 模型

    2 有限元静力分析

    2.1 单元选取与网格划分

    根据图纸,加工中心前滑座的材料为灰铸铁HT300,材料为各向同性、介质均匀。取其弹性模量E=130GPa;泊松比μ=0.24;密度ρ=。TH65100加工中心前滑座结构复杂,内部有纵横交错的筋板,并且有相当多的开口、凸台等特征,表面形状复杂,很难用影射网格划分。由于前滑座中的线、面众多,难以控制,所以网格划分采用ANSYS中的智能分网方法(Smart Size)。ANSYS在智能分网控制中将网格精度分为10级,其中默认精度为6级,l级为最精细级,10级为最粗糙级。考虑到前滑座属大件结构,为了减少单元数量,提高分析速度,使计算现实可行,可以适当降低分网精度,本文中取8~10级。在单元的选取上选用solid45单元。这是一种三维实体单元,每个单元含8个节点。划分后前滑座的节点总数为17355,单元总数为30732,网格生成见图2。

    图2 前滑座划分网格后的模型

    2.2 约束与加载

    由实际测试计算可得,在滑座的表面上有均布力的作用,它的压强为83542.1888Pa。工作台的纵向行程为机床的x坐标轴,主轴箱垂直于地面的行程是Y坐标轴,立柱的横向进给是Z坐标。除此之外,还有一个B坐标轴(图中未标出),就是工作台的回转坐标轴,该机床的工作台是可以360度任意旋转的,约束如图3所示。

    图3 滑座的约柬

    如图3所示,在进给状态下,两导轨槽的底面分别限制了滑座在y轴方向的移动自由度和绕Z轴的旋转自由度,同时它们还共同限制了滑座绕x轴的旋转自由度,另外,两导轨槽的侧面则分别限制了滑座在Z轴的移动自由度和绕Y轴的旋转自由度。滑座与工作台的接触面如图4所示。