目前常用的連續體結構的拓撲優化方法有變厚度法、變密度法及均勻化方法。
變厚度法:以單元厚度為設計變量,通過刪除厚度處于尺寸下限的單元實現結構拓撲的變更,避免均勻化方法中構造微結構的麻煩,因此可以較為方便地解決平面拓撲優化問題,但無法運用于三維結構中。
變密度法:定義取值范圍為[ 0,1] 的相對密度μ,將優化目標用相對密度μ的顯性函數表示,然后運用數學規 劃法或優化準則法求解。由于優化過程中不直接刪除材料,對于具有中等大小相對密度的單元,是否刪除就變得難以抉擇。
均勻化法:在拓撲優化中引入所謂微結構,該方法以空孔尺寸為設計變量,以空孔尺寸的消長實現微結構的增刪,從而改變結構拓撲。均勻化方法是比較流行的方法, 拓撲優化后單元的密度值是介于0~1 之間的連續值,得到的是一種比較模糊的拓撲結構。
拓撲優化獲得的最優拓撲結構形式只考慮到結構的強度,還需要在拓撲優化的基礎上根據制造工藝、裝配關系等設計要求重新設計新結構。拓撲優化在機床的結構設計中已經得到廣泛應用?;硗ǔR淮纬尚?,屬于連續體結構,其剛度性能直接影響到機床的加工精度。因此,本文采用拓撲優化方法對加工中心的滑枕進行優化設計。
2 滑枕模型
滑枕外部與其它零件裝配面比較多,主要包括主軸箱滑塊安裝面、滑枕上下滑塊安裝面、電機安裝面,在拓撲優化中將這些面分離出來作為非優化區,以保證優化后的結構能夠與其他零件正常裝配?;韮炔拷Y構應設計成筋板結構,在保證強度和剛度足夠的條件下減輕滑枕的重量?;淼膸缀文P腿鐖D1 所示。
在建立滑枕優化模型時,需要對滑枕結構進行模型簡化,利用對稱性簡化滑枕,取一半模型進行優化,去除模型中不必要的結構,采用均勻化網格,網格大小能完全體現模型特征?;碇饕牧咸匦杂袕椥阅A?.1×105 MPa、泊松比 0.3、密度 7.9×10-9 t/mm3。在Hyperworks 軟件中導入模型,結合實際裝配要求,把滑枕的模型分為設計區域與非設計區域兩部分。對設計區域,其結構包絡原始結構的布置空間,使材料在此空間內按優化要求可以重新分布; 對于非設計區域, 其結構形式與外形均不改變。選取實體單元對設計區域與非設計區域劃分網格, 網格大小為 20 mm,單元總數目為 66 258?;韮灮?br/>型如圖2 所示。
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5 結論
對龍門銑床滑枕的結構進行有限元分析,在OptiStruct中對滑枕結構進行拓撲優化設計,獲得優化的滑枕結構。最后對優化后的滑枕進行驗證分析,結果表明優化后的滑枕結構剛度更高,重量更輕,節約原材料的使用,降低設計開發周期和經濟成本,為后期對滑枕的進一步設計提供理論基礎。