一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法与流程

本发明涉及机床结构分析优化，更具体地，涉及一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法。

背景技术：

1、航空航天领域高端五轴加工机床，其主要加工的是采用大型钛合金、复合材料、铝合金等材料的飞机、航天器等重要零件，这些零件尺寸大、去除率高、型面复杂，因此对五轴加工机床的精度要求很高，一旦出现偏差，会使零件出现损坏，造成难以估计的损失。

2、对于高端五轴加工中心来说，滑枕属于重要的移动部件，它的作用一是支撑前端与其连接的a/c摆头，二是在切削移动过程中实现机床沿z方向的运动，可以看出滑枕性能的好坏直接影响加工零件的精度和效率，因此需要重点研究滑枕结构的合理形式，满足刚性和稳定性要求，同时实现轻量化，提升机床的动态特性。然而目前针对滑枕结构主要是采用经验设计或者是多种结构进行对比，选取最优解的方式，这样的方式会增加重复设计的过程，进而增加设计周期，同时由于并没有详细的研究特征尺寸对结构的影响，如外壁厚度和筋腔厚度，使得结构材料没有达到合理的分布，造成刚度和稳定性存在偏差及结构制造成本提升。

3、因此，有必要开发一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法。

4、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其能够通过拓扑优化和尺寸优化分析，可以使滑枕结构在满足静力变形和1阶模态频率的同时减少质量，实现轻量化，提高机床整机的动、静态性能，从理论上提供了滑枕结构优化设计的合理方法。

2、本公开实施例提供了一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法，包括：

3、建立未开筋腔的实心滑枕结构的三维模型作为初始模型，确定所述初始模型的材料属性；

4、针对所述初始模型进行有限元分析，得到静力变形和1阶模态频率；

5、针对所述初始模型进行拓扑优化，得到优化后的材料布局形式，获得优化模型；

6、基于所述静力变形和所述1阶模态频率对所述优化模型进行参数化建模，确定特征参数；

7、对所述特征参数进行相关性分析；

8、对所述优化模型进行尺寸优化分析，得到所述特征参数的尺寸的最优解，获得参数优化模型。

9、优选地，所述有限元分析包括静力分析与模态分析。

10、优选地，所述静力分析包括三种状态，分别是仅受重力状态，受重力和ac摆头的作用力的状态与受重力、ac摆头的作用力及切削力的作用力的状态。

11、优选地，所述拓扑优化包括：

12、通过静力变形最小化及1阶模态频率最大化的方式分别对滑枕结构进行拓扑优化，得到结构保留和去除的区域。

13、优选地，所述特征参数包括左、右、上、下四个外壁的厚度与筋板厚度。

14、优选地，所述相关性分析包括：

15、以所述特征参数作为优化对象，确定所述静力变形和所述1阶模态频率作为优化目标，对所述特征参数进行相关性分析，确定所述特征参数对所述静力变形和所述1阶模态频率的影响程度。

16、优选地，所述尺寸优化分析包括：

17、设置尺寸的初始值和取值范围，以所述静力变形和所述1阶模态频率为目标进行分析。

18、优选地，设置尺寸的初始值和取值范围，以所述静力变形和所述1阶模态频率为目标进行分析包括：

19、确定多组特征参数的尺寸，针对每一组特征参数进行有限元分析，获得对应的静力变形和1阶模态频率，分别计算与所述初始模型对应静力变形和1阶模态频率的差值，差值最小对应的特征参数即为最优解。

20、优选地，还包括：

21、根据滑枕结构涉及的工艺及需求对所述参数优化模型进行完善，获得最终的滑枕结构。

22、其有益效果在于：

23、利用有限元分析软件从拓扑优化和尺寸优化两个方面对滑枕结构进行优化分析，并通过相关性分析确定了对滑枕结构性能影响明显的特征参数，从而可以更加精确的提供优化设计的方向，合理分布结构的材料，保证结构性能的同时实现轻量化，同时对整机动态特性的提升提供了技术支持。

24、本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

技术特征：

1.一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述有限元分析包括静力分析与模态分析。

3.根据权利要求2所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述静力分析包括三种状态，分别是仅受重力状态，受重力和ac摆头的作用力的状态与受重力、ac摆头的作用力及切削力的作用力的状态。

4.根据权利要求3所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述拓扑优化包括：

5.根据权利要求4所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述特征参数包括左、右、上、下四个外壁的厚度与筋板厚度。

6.根据权利要求5所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述相关性分析包括：

7.根据权利要求6所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，所述尺寸优化分析包括：

8.根据权利要求7所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，设置尺寸的初始值和取值范围，以所述静力变形和所述1阶模态频率为目标进行分析包括：

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的基于有限元分析的滑枕结构优化方法，其中，还包括：

技术总结
本申请公开了一种基于有限元分析的滑枕结构优化方法，包括：建立未开筋腔的实心滑枕结构的三维模型作为初始模型，确定初始模型的材料属性；针对初始模型进行有限元分析，得到静力变形和1阶模态频率；针对初始模型进行拓扑优化，得到优化后的材料布局形式，获得优化模型；基于静力变形和1阶模态频率对优化模型进行参数化建模，确定特征参数；对特征参数进行相关性分析；对优化模型进行尺寸优化分析，得到特征参数的尺寸的最优解，获得参数优化模型。本发明通过拓扑优化和尺寸优化分析，可以使滑枕结构在满足静刚度和模态频率的同时减少质量，实现轻量化，提高机床整机的动、静态性能，从理论上提供了滑枕结构优化设计的合理方法。

技术研发人员：李贺,高峰,刘洪强,李亚聪,牛石从,张扬,陈帅,张广为,陈冉,于文东,毕岩,申国峰,刘丽英,张险峰,李楠,万鹏宇,张弛
受保护的技术使用者：通用技术集团机床工程研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14