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銑車復合加工中心立柱高比剛度效能仿生設計研究

伯特利數控 加工中心 鉆攻中心

前言：

本文以銑車復合加工中心立柱為研究對象，從結構仿生的設計原理出發，以提取空莖植物的構型特性為依據，以立柱工作載荷計算結果為條件，并以加工中心立柱達到高比剛度效能為目的，對銑車復合加工中心立柱的內部進行了結構仿生設計，并對優化后立柱結構進行靜力和模態仿真分析，為加工中心支承件結構設計提供了新的思路。

1立柱結構仿生設計

動物的骨骼、植物的枝條根莖等“生物支架”，充分體現了自然進化的最優結構，以最少的材料承受最大的載荷，從而獲得結構效能最大值^M?？涨o植物具有最優的力學性能,其結構特征主要表現為：硬質材料
集中在外面，中間為松軟狀物質，同時表層組織的彈性模量大于沿縱向周向而又遠大于內部組織，而彈性模量對于結構的高比剛度效能起到關鍵性作用。

在結構方面，立柱與中空植物莖桿十分相似，都存在連續和離散結構的布局；在功能方面，除去生物機理外，立柱與莖桿都是在整個生物體中作為支承件，承受其他部件和載荷引起的壓力和彎矩，相似于植物葉片對葉柄施加壓力和彎矩，因此，生物體的輕質空心結構是高比剛度效能設計的首選原型^{^[1]} ,從生物結構仿生思想出發,在分析植物莖桿結構規律的基礎上，以不改變銑車復合加工中心立柱現有整體功能結構為前提，根據葉柄截面的生物組織形式，對立柱隔板筋板進行仿生演進設計。

1.1仿生設計過程

結構仿生設計主要分為以下3個步驟：

(1) 生物結構原則分析。根據機械結構的功能要求，進行相似性分析，總結相對應生物體構型原則。

(2) 仿生設計應用。將所述生物體結構的構型原則應用于機械結構改進。

(3) 優化模型確定。將仿生型與原型結構進行對比,確定最優仿生型結構并總結規律。

1.2生物體構型分析以及應用

(1) 主受壓區域：因為葉柄在主受壓區域增加材料密度和尺寸，所以在立柱的主受壓區，以提高抗彎性能為目的，抵抗導軌受力引起的彎曲變形，適當增加向心狀仿生隔板，提高抗彎性能。

(2) 主受拉區域:立柱左右外側面受拉明顯，結合鑄造工藝和結構仿生構型比擬的基本原則，側面筋板采用輻射狀“太陽筋”改進結構可以有效提高整體剛度。結合芭蕉葉柄內部結構對立柱內部做仿生設計,確定在墻體式封閉型對稱框架結構的立柱內部增加放射狀封閉截面隔板，最后在結合立柱工作載荷分析結果，從結構高比剛度及輕量化要求出發,立柱內部結構優化設計結果如圖1和圖2所示。

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結束語：

本文在分析銑車復合加工中心立柱工作載荷的基礎上，根據空莖植物的力學與結構特點，以立柱的高比剛度效能為目的對其結構進行仿生設計，結果表明，仿生型立柱的比剛度效能提高14. 3 %，—階固有頻率提高1.3%,質量減輕5.7% ,加工誤差敏感方向的方向變形減小了 2. 29K達到了較為滿意結果，為高速加工中心結構件設計提供了新的思路。

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