床鞍结构构型与参数设计

袁明超++石双山

摘 要：机床部件的轻量化结构设计有利于提高机床的竞争力。借助于计算机工具和有限元软件，利用结构分析和结构优化技术进行部件数字化设计己成为数控机床轻量化结构设计的必然趋势。与传统设计方法相比，它可以大幅提高设计效率，缩短设计周期，减少设计过程中的材料和能源消耗，显著提高经济效益。

关键词：主筋板结构；尺寸优化

1.床鞍主筋板结构构型设计

本文将根据床鞍结构拓扑优化结果进行床鞍背面的主筋板结构构型设计。本文借助ANSYS软件优化床鞍的主筋板结构，并对设计和改进提供参考依据。

1.1结构构型设计

根据机床支承件设计中常用的筋板结构形式，给出了以下四种主筋板的结构构型方案，如图1.1所示。其中，方案一到方案四分别对应1.1中的a到d。

1.2 构型方案性能分析与对比

对以上四种构型方案进行了静动态性能有限元分析，初步比较它们的性能优劣。为了保证比较的相对准确，几何建模时各个构型方案的主筋板厚度都设为25mm，高度都设为50mm。方案一到四的质量分别为455kg、453.4kg、457kg、454.6kg。分别提取了四个构型方案静态特性分析后位置4的节点位移，提取了模态分析的前5阶固有频率。

方案一的一阶到五阶的固有频率分别为211.4、291、429.5、540.3、884.3；方案二的一阶到五阶的固有频率分别为227.1、292.1、447.6、525.5、875.4；方案三的一阶到五阶的固有频率分别为214.9、284.9、428.2、499.1、854.9；方案四的一阶到五阶的固有频率分别为208.6、300.6、429.3、567、878.7。通过质量、静态位移、模态固有频率的比较来看，各个方案性能相差不是太大，但方案一和四的静态性能要略优于方案二和三。四个构型方案将都暂且保留，进入下一阶段的构型参数设计，即尺寸优化阶段，以便选出静动性能最好的设计方案。

2.床鞍主筋板构型设计参数尺寸优化

2.1设计参数尺寸优化

结构构型设计只是给出了主筋板大致的结构形式，但并未确定其各个设计参数的具体数值。设计参数的变化会在一定范围内对支承件质量和性能产生较大影响。为进一步实现床鞍结构的轻量化，在主筋板构型确定可使用尺寸优化找到更为合理的主筋板构型设计参数。用ProE软件对四种主筋板构型方案进行参数化建模，然后利用Workbench软件对各构型方案的设汁参数进行尺寸优化。优化时以质量最小和刚度最大（位移最小）作为优化目标。本部分所做尺寸优化主要涉及床鞍主筋板部分的构型设计参数，为局部尺寸优化。图1.1e是以构型方案一为例绘制的床鞍主筋板尺寸优化的优化参数示意图。其余方案也采用相似的方法进行优化。

本次尺寸优化目标具体包括质量、床鞍总体位移，位置4位移（Y向和Z向和总体），优化时可根据需要选择单项为优化目标，也可选择多项进行组合。以下获得的几组尺寸优化结果基于多目标组合优化。

方案中方案一与方案二结构相似，其中侧板厚度跨距P1尺寸范围为360-480mm；外壁板厚度P2尺寸范围为20-30mm；P3为距离；P4为角度；主筋板厚度P5尺寸范围为15-30mm；主筋板P6的高度范围为25-55mm。

优化后方案一到四的质量分别为426.2kg、420.4kg、419.1kg、411.6kg。

2.2尺寸方案性能分析与对比

对尺寸优化后得到的4种主筋板设计方案进行静动态特性分析。提取了各方案4处节点位移如下表2-2所示。由于Z向位移相对较小，不便于观察对比，图中只绘出了Y向和总体位移曲线。通过对比发现：几种方案的位移曲线几近重合，但其变形都不大于原方案。

通过观察发现：

（1）方案1的静刚度最大（位移最小），刚质比也较大，但质量也最大；方案2和3刚度较小且刚质比较小，质量处于中间位置；方案4刚度和刚质比都较大且质量最小。

（2）各个方案的前两阶固有频率较原方案都有所提高，整体抗振性有小幅提升。

2.3 結构改进设计方案

通过以上对比，结合支承件结构工艺性，可选取方案四作为床鞍主筋板结构轻量化设计的构型方案，选取方案4作为最终的改进设计方案。

结论

本文首先给出了四种床鞍主筋板结构构型方案并进行了性能分析和对比；对各构型方案进行了局部设计参数尺寸优化并得到了相应的尺寸设计方案，通过性能分析与对比选出了床鞍的轻量化改进设计方案。

参考文献

[1]赵岭，王婷，梁明，等.机床结构件轻量化设计的研究现状与进展[J].机床与液压，2012，40（15）： 145-147.