橫梁是鏜銑加工中心的關鍵承載部件,其剛度和固有頻率等特性會影響加工中心的銑削加工精度.憑借傳統的優化方法和經驗很難保證承載部件合理的動靜態特性和固有頻率,而結構拓撲優化是一種在給定設計空間內尋找最合理材料分布的數學方法.通過該方法可得到體積更小且動靜態更優的結構優化方案.當前針對連體結構的拓撲優化研究大多屬于單目標拓撲優化范疇,但在實際工程中會出現多個優化需求共存的情況.
本文以 V1600G 鏜銑加工中心的橫梁為研究對象,結合實際工況,通過 SolidWorks建立和簡化橫梁在多個工況下的模型;基于密度法并結合折衷規劃法和功效函數理論[1],以三維模型網格劃分后每個單元的相對密度為設計變量,以一定體積分數為約束條件,通過 HyperMesh 軟件分析,得到橫梁的材料最優分布圖;綜合橫梁的加工工藝等,設計出動靜態特性更優的 V1600G 鏜銑加工中心橫梁新結構,以期提升其銑削加工精度.
1 V1600G 鏜銑加工中心結構及其拓撲優化數學模型
1.1 V1600G 鏜銑加工中心
V1600G 鏜銑加工中心是在國家863 計劃支持下自主研發的產品,采用龍門式銑削結構和臥式鏜削結構結合的布局(圖1),具有一次裝夾、五面加 工的特點.橫梁屬于該加工中心重要的承載部件,承 載著主要銑削部件(如軸滑臺等)的重量,也是加工中心銑削時Y 軸、Z 軸方向運動的重要支撐部件, 其剛度和低階固有頻率直接影響整個加工中心銑削主軸的變形,間接影響加工的精度和效率[2].因此,確定橫梁的固有頻率和動靜態特性在橫梁的結構設計中尤為重要.
1.2 多目標拓撲優化數學模型
在實際工程中,單目標優化很難滿足需要,當優化目標不唯一時,需要進行多目標拓撲優化,若其中各子目標互不干擾,就容易得到最優解[3];如果優化目標中至少兩個子目標之間有沖突,即一個子目標趨向其最優解的同時會導致另一個子目標偏離其最優解,為了解決這個問題,就需要將每個具有不同度量單位的子目標加權[4].傳統的線性加權法并不能
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結束語
本文基于拓撲優化方法,結合功效函數法和折衷規劃法,設計了新的橫梁結構.新結構橫梁的質量更小,節省了加工材料,降低了制造成本.其一階固有頻率更大,加工中心Y 軸方向運動性能得到了很好的改善,典型工況下橫梁的剛度得到了提高.本文驗證了多目標拓撲優化技術在結構優化設計中的優越性,可為加工中心其他部件的拓撲優化設計提供參考.
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