床身是機床的重要組成部分,機床的眾多重要部件都是以床身為載體進行安裝的。因而,作為基礎件的床身必須具有高剛度和良好的抗振性。在傳統的設計中,床 身 在 滿 足 設 計 要 求 時,質量往往是偏大的,這 無疑會造成材料的浪費。因此,如何在盡量不改變床身原有的靜動態特性的基礎上,合理地優化床身的內部尺寸,實現床身的輕量化,是值得研究的問題。
對于床身的優化設計,研究人員進行了大量的研究。[1]運用有限元分析方法,在床身結構動態特性靈敏度分析的基礎上,對其結構與動態性能進行優化,在保證良好動態性能的同時,減輕了床身質量。[2]根據磨床床身結構分析的結果,提出改進 方 法,并對改進后的床身進行拓撲優化,實 現 了 高剛 度、輕質量的床身優化設計。陳 葉 林 等[3]基于 尺 寸優化及拓撲優化技術對機床床身內部筋板的結構、布局及墊鐵位置進行優化,減 小 了 床 身 的 質 量,提 高 了床 身 的 剛 度。[4]以筋板和底部出砂孔的尺寸為設 計 參 數,以 床 身 質 量、1階固有頻率為優化目標對床 身 進 行 了 優 化。優 化 后,床身的最大振幅值大幅下降。
在對床身進行優化時,多數研究人員以最大變形、最大應力、第1階固有頻率為約束條件,但這并不能保證優化后1階固有頻率之后的其他階固有頻率值均高于 優 化 前 的 值,因 此,文中以最大變形、最 大 應 力 和 前4階固有頻率保持不變為約束條件,以床身壁厚和筋板縱向、橫向厚度為設計參數,床身質量最小為優化目標,建立數學模型求解計算,得到優化后的壁厚與筋板尺寸。最后,對優化后的模型進行有限元分析,將優化前后床身特性及質量進行對比。
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結論通過對原床身結構的有限元分析,去除了對床身結構特性影響不大、與床身底面平行的一層筋板結構。在不改變床身外部尺寸的基礎上,以床身的縱向、橫向筋板厚度及床身壁厚為試驗因素,利用正交試驗法建立了響應面模型,對床身進行輕量化設計。在床身結構特性基本不變的情況下,床身質量得以減輕,從而使原床身尺寸設計更加合理,節省了材料。同時,也為機床其他部位的優化提供了思路。