前言:
機床輕量化技術是指在確保機床剛度和加工精度的前提下, 減輕機床重量, 降低機床使用時能量的消耗 橫梁作為定梁動柱龍門式機床的主要移動部件, 更是機床輕量化設計的重點 國內外橫梁的輕量化研究主要集中在兩個方面[1]: 一是通過改變結構材料降低自重, 如以焊接結構代替鑄造結構 采用鋁合金 新型復合材料等代替鋼和鑄鐵; 二是改變結構形式, 尋求最合理的截面形狀 筋板布置 減重孔形狀 近年來興起的結構優化設計是根據算法合理分配優化對象( 比如尺寸等設計參數 形狀 材料) 以保證橫梁整體的剛度 模態等特性, 從而讓橫梁結構設計擺脫了對經驗的盲目依賴[2-3] 拓撲優化是結構優化的一種, 通過將單元離散, 并賦予偽密度值,在設計空間內, 尋求最佳材料分布, 實現結構減重動靜態性能提高的目標[4-6]
本文擬從結構上對橫梁進行輕量化研究, 并基于拓撲優化模型, 調整橫梁筋板布置, 完成最大剛度的設計, 同時需要降低橫梁自重 通過對機床橫梁結構進行拓撲優化設計, 提出一種降低自重 提高綜合性能的設計方法, 對于推進結構優化在工程實際中的應用具有重要研究意義
1 加工中心整體布局及焊接橫梁初始模型設計
1. 1 加工中心整體布局
大型鋁材構件高速高效加工中心主要應用于軌道交通 船舶 航空航天用大型鋁材構件加工領域, 該加工中心采用床身 工作臺固定, 橫梁 滑座滑枕移動的定梁動柱龍門式結構, 主要結構包括橫梁 滑箱 滑柱 床身 工作臺及兩種刀庫, 總體布局如圖 1 所示
( 2) 在調整內部筋板時, 基于動力優化以提高固有頻率為目標, 獲取了影響低階固有頻率的區域, 并通過筋板對橫梁進行了加強; 在結構減重時, 以最小柔度為目標 同時約束了體積分數和前幾階固有頻率的下限值, 實現了最大剛度的拓撲優化設計
( 3) 對橫梁進行了輕量化設計 基于拓撲優化模型, 調整橫梁筋板布置, 完成最大剛度的設計, 同時降低了橫梁自重 優化后, 橫梁重量減輕 11. 5%, 綜合性能得到了明顯的改善
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