专利名称：一种机床床身结构优化设计方法
技术领域：
本发明涉及一种机床支承件结构优化设计方法，特别是床身结构优化设计方法。
背景技术：
床身是机床的主要支承件，它支承着工件和机床重量，成为机床制造企业的关键 技术。但大部分企业仍沿用经验设计和仿造的老路子，床身设计一味追求其高的动静刚度， 却忽视了制造成本问题，如TH系列铣镗床床身的重量要占机床总重量的30%多。因此，为 了在确保床身承载能力的基础上减少材料、降低成本，需要支承件具有较高的单位重量刚 度，这就对支承件材料的分布、支承件壁厚和筋板几何尺寸的合理性提出了要求。针对这些 因素，有必要利用先进的有限元设计方法对床身结构进行以减重为目的的优化。现有的机床床身优化设计主要集中在筋板几何形状、尺寸及排布形式上。由于床 身模型复杂，不易用Ansys等有限元软件建立其参数化模型，因此，工程技术人员大多采用 “最优化设计方法”，即不断在等三维软件中修改其结构尺寸，再导入有限元软件中进 行计算，不断重复此过程，最终取的最优解，其优化过程不能完全称之为优化设计，且耗费 大量的时间，增加了分析人员的劳动强度，而其最优解并非绝对意义上的最佳值。本发明充 分利用三维软件与有限元软件的无缝连接技术，在三维软件中建立床身的参数化模型，利 用两者接口进行联合仿真优化，从而解脱了人力，节省了时间，并可得到设计最佳值。同时，本发明提出由载荷传递图确定床身载荷边界条件的方法，以此得到床身所 承受的工作载荷，与传统经验法确定相比更为准确。本发明在床身壁厚及筋板几何尺寸多 目标优化中，平衡了动静特性及制造成本之间的矛盾，并在床身优化设计中将拓扑优化和 多目标优化相结合，从而使其优化效果达到最优。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，特别是提供一种床身结构优化设计方法。本发明的技术方案是这样实现的包含下述步骤1)机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤；2)机床床身拓扑优化步骤；3)机床床身结构综合优化步骤；其中机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤包含如下步骤1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型，设定参数变量，基 于特征参照建立床身参数化模型，需要参数化的尺寸包括床身壁厚、床身两侧面筋板厚度、 床身导轨正下方纵向筋板厚度、床身导轨之间筋板厚度和床身筋板高度；2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中；3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实 际安装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件，分解出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；4)对模型进行网格划分，设定结构静力学分析的显示结果为变形和等效应力，设 定模态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型；5)在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，并设定床身质 量、最大变形、最大等效应力和一阶、二阶固有频率为目标函数，利用实验设计建立优化分 析实验样本点，从而建立多目标优化模型；6)对各个样本点进行求解，设定目标函数的重要程度，利用软件选择出最优设计 值，依据优化结果修改床身壁厚及筋板尺寸；其中机床床身拓扑优化步骤包含如下步骤1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型；2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将三维几何模型导入有限元软件 中；3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实 际安装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件， 分解出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；4)对模型进行网格划分，设定拓扑优化目标百分比，从而建立拓扑优化模型；5)求解有限元模型，基于拓扑优化结果修改床身结构，将伪密度材料去除；利用床身壁厚和筋板几何尺寸多目标优化结果和拓扑优化结果修改床身结构，分 析其动静特性。身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化的参数化建模步骤采用基于特征参照的参数 化建模方法，即分析壁板及筋板与床身整体结构的位置关联关系，建立壁板及筋板参照基 准与床身参照基准之间的约束关系，依据各特征与参照基准之间的约束关系给其几何尺寸 赋予设计参数。多目标优化和拓扑优化的有限元载荷边界条件确定步骤采用基于载荷传递图确 定载荷边界条件的方法，即确定机床工作状态下的载荷源，包括重力、切削力、夹紧力、冲击 力和热载荷，分析载荷在各个部件间的传递关系，构建整机载荷传递图；基于载荷传递图确 定床身承受的外载荷类型、位置和大小，在有限元分析中，重力是通过施加重力加速度来实 现，热载荷是通过热变形分析得出，其余载荷是通过集中力、面压力和扭矩来等效。基于床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化的优化模型建模步骤所建数学模型如 下目标函数重量最小，即Min f(x)设计变量x= (x1 x2, . . . xn)约束条件ο e彡[σ ]ε fflax ^ [ ε ]^ [f]Cil ^ Xi ^ Ci2 i = 1,2, . . . , η其中，f (χ)为床身重量；Xi为床身第i个设计变量；％为床身最大等效应力； 为床身最大变形量；为床身一阶频率；η为设计变量的个数。
基于拓扑优化的有限元建模步骤所建数学模型如下在材料用量条件下，寻找具有某种度量的最大刚度这里指结构单位质量所具有 的柔度最小，即材料的最优分布，最小化
权利要求
1.一种机床床身结构优化设计方法，其特征在于，包含下述步骤1)机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤；2)机床床身拓扑优化步骤；3)机床床身结构综合优化步骤；其中机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤包含如下步骤1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型，设定参数变量，基于特 征参照建立床身参数化模型，需要参数化的尺寸包括床身壁厚、床身两侧面筋板厚度、床身 导轨正下方纵向筋板厚度、床身导轨之间筋板厚度和床身筋板高度；2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中；3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实际安 装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件，分解 出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；4)对模型进行网格划分，设定结构静力学分析的显示结果为变形和等效应力，设定模 态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型；5)在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，并设定床身质量、最 大变形、最大等效应力和一阶、二阶固有频率为目标函数，利用实验设计建立优化分析实验 样本点，从而建立多目标优化模型；6)对各个样本点进行求解，设定目标函数的重要程度，利用软件选择出最优设计值，依 据优化结果修改床身壁厚及筋板尺寸；其中机床床身拓扑优化步骤包含如下步骤1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型；2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将三维几何模型导入有限元软件中；3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实际安 装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件，分解 出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；4)对模型进行网格划分，设定拓扑优化目标百分比，从而建立拓扑优化模型；5)求解有限元模型，基于拓扑优化结果修改床身结构，将伪密度材料去除；利用床身壁厚和筋板几何尺寸多目标优化结果和拓扑优化结果修改床身结构，分析其 动静特性。
2.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于床身壁厚及筋板 几何尺寸多目标优化的参数化建模步骤采用基于特征参照的参数化建模方法，即分析壁板 及筋板与床身整体结构的位置关联关系，建立壁板及筋板参照基准与床身参照基准之间的 约束关系，依据各特征与参照基准之间的约束关系给其几何尺寸赋予设计参数。
3.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于多目标优化和拓 扑优化的有限元载荷边界条件确定步骤采用基于载荷传递图确定载荷边界条件的方法，即 确定机床工作状态下的载荷源，包括重力、切削力、夹紧力、冲击力和热载荷，分析载荷在各 个部件间的传递关系，构建整机载荷传递图；基于载荷传递图确定床身承受的外载荷类型、 位置和大小，在有限元分析中，重力是通过施加重力加速度来实现，热载荷是通过热变形分 析得出，其余载荷是通过集中力、面压力和扭矩来等效。
4.根据权利要求3所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于基于床身壁厚及 筋板几何尺寸多目标优化的优化模型建模步骤所建数学模型如下目标函数重量最小，即Min f(x)
5.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于基于拓扑优化的 有限元建模步骤所建数学模型如下在材料用量条件下，寻找具有某种度量的最大刚度这里指结构单位质量所具有的柔 度最小，即材料的最优分布，最小化
全文摘要
本发明公开了一种机床床身结构优化设计方法，包含有如下步骤机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤；机床床身拓扑优化步骤；机床床身结构综合优化分析步骤。其中机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化包含如下步骤建立床身参数化模型；确定边界条件；确定设计变量、约束条件及目标函数，建立优化设计模型；修改床身壁厚及筋板尺寸。其中机床床身拓扑优化包含如下步骤建立床身几何模型；确定边界条件；确定拓扑优化目标，建立拓扑优化模型；修改床身结构。本发明，改变了传统的机床床身优化设计方法，改善了其动静刚度特性，降低制造成本。可广泛应用于各类机床支承件结构的优化设计。
文档编号G06F17/50GK102063540SQ201010616150
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者朱林波, 李宝童, 杜飞, 洪军, 王崴 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司