机床大件结构的拓扑优化设计

根据机床结构件的特点,提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法,并对结构进行有限元分析和优化设计,从而实现结构的自动设计,为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝试.     

机床结构轻量化设计研究进展

对机床进行优化的结构构型设计,使得材料在机床结构空间内更加合理地分布和有效地利用,一直都是机床设计工作者追求探索的目标。论述机床构型和结构件轻量化设计的研究历程和技术发展,对机床结构轻量化设计中常用的现代设计方法:参数优化、结构拓扑优化、多方法综合结构设计、仿生优化设计方法进行具体技术介绍和综合评述,并对近年兴起的仿生优化设计方法进行从方法、实现手段和轻量化效果等方面重点分析和评述,对机床构型和结构件轻量化设计研究的未来发展提出展望。     

机床结构件优化设计的应用研究

应用“结构系统设计灵敏度分析”理论，把有限元分析和最优化技术有机结合焉应用于机床结构件的优化设计，有效地提高了设计效率。     

数控机床关键结构件的优化设计

结构优化能综合处理并最大限度满足从不同角度提出的要求,实现减轻结构重量、保证结构刚度、降低应力水平、提高产品可靠性等多方面目标。针对一类高速数控龙门铣床关键结构件,为减小切削力下机床的变形,采用拓扑优化技术对机床主轴滑枕零件从轮廓形外形到加强筋的位置、厚度进行多层次优化。分析表明,拓扑优化后结构与原始结构相比,重量增加了3.6%,但变形减小了30%,固有频率提高了29%,通过优化既提高了机床的精度,也提高了机床的动态性能,优化效果非常明显。新产品开发中采用优化计算不但可以改变材料的分布,使好钢用在刀刃上,而且对创新设计思路起到极大的推动作用。     

基于知识的机床大件结构智能设计系统研究

将人工智能（ＡＩ）技术和机床大件结构优化设计研究相联系，在研究基础上提出了一个基于知识的机床大件结构设计系统模型。根据介绍的方法，机床大件结构优化设计中拓扑，工艺以及造型等信息不易介入的难点有了新的突破。     

基于可加工性的悬臂结构件轻量化设计

基于轻量化设计要求,利用OptiStruct平台对一种5自由度机械手的关键悬臂结构件进行拓扑结构优化。优化过程中加入了对称、脱模方向等约束,提高了零件的可加工性;并对优化后的模型做了强度、刚度校核。对比经验结构与拓扑优化结构,显示了拓扑优化方法的优势。优化设计后的悬臂结构件重量减轻了24.8%,达到了轻量化设计的目的,该成果已经应用于实际生产设备。     

五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化

为了解五轴联动加工中心结构件质量对整机性能的影响规律,结合集中参数法和子结构综合法建立整机动力学模型.依据五轴联动加工中心拓扑结构特点,基于子结构综合思想,将其分为两个拓扑子链并分别开展影响规律分析;基于结构件间的质量关系,提出了机床质量匹配度的评价指标?结构件质量比(RT).通过分别对刀具链和工件链中结构件质量进行匹配优化,获得整机的质量匹配优化方案,并基于有限元仿真软件对优化结果进行验证.结果显示,通过该优化方法,整机质量减轻10.3％,整机首阶固有频率提高3.9％.     

面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计,提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。首先利用有限元法(finite element analysis,FEA)对机床整机进行动力学分析,模态分析与谐响应分析结果表明立柱为影响整机动态性能的关键结构件。然后以立柱结构为优化目标,对立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化的材料分布情况设计了立柱的最优基本结构形式,再通过选择抗弯、抗扭刚度较好的W类型筋板进行布局与尺寸优化,得到了最终的立柱优化结构。最后对优化的立柱结构进行验证,分析结果表明:该结构设计方法有效地改善了整机的动态性能,在立柱质量减轻的前提下,优化后的整机前六阶固有频率均得到了不同程度的提高,其中一阶固有频率提高了10%以上;并且机床在x方向上的最大共振峰值下降了49.8%,y方向下降了70.1%,z方向下降了66.2%。     

高速加工中心立柱结构的拓扑优化

基于连续体ICM拓扑优化方法,提出了以体积为约束条件,机床的固有频率为目标函数的结构动态设计方法.为提高拓扑优化的精度,在结构优化过程中,同时也考虑了非设计区域的动态特性.将该方法应用到XH6650高速加工中心的立柱结构优化中,从而提高了机床的整机动态特性.     

一种特大型螺旋桨翻转结构的优化设计方法

传统新产品开发过程中,需要进行产品试制以对产品性能进行检验。但是这种方法对特大型结构件进行设计验证不仅成本非常高,而且设计周期长,有时甚至无法实现。在能源危机的情况下,特大型结构件设计面临的一个重要挑战是如何在减轻自身质量的前提下具备足够的负载能力。文中通过对特大型螺旋桨翻转机结构件的尺寸与拓扑优化的案例研究,提出了一种特大型结构件快速设计与优化的解决方案。该方法利用ANSYS结合HyperMesh软件的尺寸优化和拓扑优化功能,首先对初始设计方案结构进行尺寸优化处理,在满足刚度与强度的前提下,再对其进行拓扑优化修改模型结构,从而减小结构自身质量77%。这种虚拟实验与结构优化技术的结合方法缩短了设计周期、节约了成本,为特大型结构的设计优化提供了技术借鉴。     

机床床身结构的有限元分析与优化

利用有限元法对机床床身进行静、动态分析,并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化,为ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试.     

高速加工中心立柱结构的拓扑优化

基于连续体ICM拓扑优化方法，提出了以体积为约束条件，机床的固有频率为目标函数的结构动态设计方法。为提高拓扑优化的精度，在结构优化过程中，同时也考虑了非设计区域的动态特性。将该方法应用到XH6650高速加工中心的立柱结构优化中，从而提高了机床的整机动态特性。     

基于相对密度机床立柱结构的动力学拓扑优化

构造了基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型,以结构的相对密度为设计变量,结构基频最大化为目标函数,满足结构工况和相对体积比为约束条件,采用启发式优化准则法进行迭代求解;基于该方法和等效质量块对机床立柱结构进行了动力学拓扑优化设计,再对优化后整机进行了动力学仿真.仿真结果表明,该优化设计模型可大大提高机床整机的动、静态特性,同时也验证了所提出的设计模型及优化准则的合理性和有效性.     

基于TOSCA软件的精密卧式加工中心滑板的拓扑优化方法

研究了精密卧式加工中心"框中框"结构中关键结构件滑板的拓扑优化方法,提出了一种新的拓扑优化设计思路。首先在满足装配边界条件下最大限度地放开初始优化模型的设计区域,实现滑板的外轮廓拓扑优化;基于外轮廓结构设计得到二次拓扑优化模型,在约束外轮廓的基础上实现了滑板内部筋板的拓扑优化,最终得到一种新的滑板结构设计方案。在设计中以滑板结构多工况加权静态应变能最小,1阶固有频率最大为目标函数,以体积比为约束条件进行拓扑优化设计。采用新结构的滑板的静刚度在X,Y,Z三个方向均得到了提高,1阶固有频率提高了15.7%,质量减轻了6.5%,提出的优化方法对机床大件的拓扑优化具有重要的指导意义。     

机床结构概念设计系统开发及在舵叶加工机床设计中的应用

提出了基于连续体拓扑优化理论的计算机辅助结构概念设计系统,利用Visual C++、UG和ANSYS开发了计算机辅助结构概念设计原型系统.针对舵叶加工专用机床设计中的问题,应用拓扑优化的理论对升降台进行结构概念设计,设计结果在保证结构刚度的同时达到了结构轻量化的目的.     

APS46-1排刀式数控车床静动态特性分析及拓扑结构优化

排刀式数控车床主要用于加工轴类小件，可实现一次装夹、全序加工，自动化程度与生产效率高。随着数控机床向高精、高速方向发展，对机床的加工精度、表面质量和生产效率提出了更高的要求。基于上述原因，采用有限元分析方法对现有产品APS46-1排刀式数控车床进行静/动态特性分析；对该机床的大件进行了拓扑结构优化；对比分析仿真优化前后的整机性能，优化后整机质量下降了7.1%，最大变形下降了49.1%，最大应力下降了78.2%，整机前6阶固有频率均有一定的提高。对比结果说明：通过机床大件的拓扑结构优化，对整机结构刚度提高的效果明显，可为APS46-1排刀式数控车床结构改进设计提供参考。     

拓扑优化的数控车削中心床鞍轻量化设计

对数控车削中心床鞍的结构轻量化设计方法进行了研究。基于机床在切削作用下的典型工况,分析其载荷和边界条件;建立体积约束下的床鞍结构多工况静态性能和动态性能多目标拓扑优化数学模型,根据拓扑优化结果构建床鞍的优化概念模型;利用结构优化设计的思想对概念模型进行结构刚度设计,最终为企业提供了新的床鞍结构方案;在保证床鞍刚度和动态性能的前提下,床鞍的质量减少了14.33%,表明该设计方法能够有效实现结构轻量化设计。     

基于ICM法的零件拓扑优化方法应用研究

作为结构优化的一门新技术,拓扑优化在汽车、机床、电子机械的结构优化设计中已经得到应用.基于连续体ICM拓扑优化方法,利用先进的有限元分析软件,建立了以体积为约束条件,以模态频率为目标的某数控加工中心横梁结构拓扑优化模型.根据对模型的拓扑优化结果分析,对横梁内部的筋板结构布置提出了建议,确定了横梁的最佳结构方案,仿真结果表明其动静态特性有较大提高.     

大型重载雷达天线座结构设计与仿真分析

文中结合某大型重载高精度相控阵雷达天线座的研发,探讨了其关键的支承结构形式、组成和各部分的设计问题。对其中大型支承结构件支臂和转台应用拓扑优化技术来提高结构刚度,并采用有限元软件ANSYS对天线座整体结构进行建模和仿真分析。结果表明,天线座结构刚强度满足设计要求。文中的设计、优化和仿真分析方法可为类似的结构设计提供参考。     

卧式加工中心移动立柱的轻量化设计和拓扑优化分析

利用结构拓扑优化技术,实现了对卧式加工中心立柱的轻量化结构分析与设计。基于拓扑分析结论,按照结构优化设计的方法,提出了"去除立柱后方上部部分材料"和"立柱两侧适量减材"的两种轻量化设计方案。通过对以上两种方案各自模态数据的对比,得出立柱拓扑优化方案与原方案的对比结论,实现了利用结构拓扑优化的研究方法对机床典型支承件的结构轻量化设计及结构性能验证。