外圆磨床床身结构的拓扑优化设计.pdf

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1、精密制造与自动化2010年第1期外圆磨床床身结构的拓扑优化设计郭媛美郭春星陈叶林上海理工大学机械工程学院(200093)摘要利用ANSYS、HyperWo~s大型有限元软件对外圆磨床床身进行有限元分析，并在此基础上以设计重量为目标函数，在保证机构具有足够强度和刚度的基础上，实现了磨床床身设计重量的大幅度下降，所得结论对进一步改进原有产品具有实用和指导意义。关键词外圆磨床有限元结构优化ANSYSHyperWo~s磨削是加工行业的重要分支之一，一个国家的底面的一些大的工艺孔，由于它们的大小形状与筋磨削工艺水平，已成为

2、衡量该国机械制造水平的重板的布置有关，所以在建模时这些工艺孔也被简化。要指标。长期以来，磨床的设计制造大都是参考老图2所示的是研究的磨床床身简化的有限元模型，该一辈设计人员和前苏联的图纸进行，而当时由于条模型选择SHELL63单元模拟板壳，选择BEAM188件的限制和对磨床过多的安全方面的考虑，所设计单元模拟梁，共划分l0976个节胁1356个单_‘元。的磨床均具有太大的安全系数，致使磨床生产成本提高。随着社会技术水平的不断提高和一些现代设计方法的出现，磨床在此方面的问题越来越突出。不断提高磨床技术含量，减轻磨床

3、的重量是磨床结构研究的主要方向，是不可抗拒的潮流在整个磨床的各个组成部分中，床身是很重要的部件，在磨床中起着支撑和连接工作台、砂轮架等关键零部件的作用，并与整机性能有着密切关系。因此进行床身轻量化设计十分必要。对于床身结构优化一般选取筋板的间距和壁厚作为设计变量，合理的筋板间距和壁厚可以在保证床身刚度的同时，有效地减小床身的重量。在筋板间距和壁厚优化的基础上运用软件对床身进一步拓扑优化，得到开孔位置，再在适当位置开孔，从而更大程度地减少床身重量节约材料。1磨床床身结构优化方法图1优化设计流程图床身结构优化是一个优

4、化、循环、修正的过程，如图l所示。1．1尺寸优化建立准确而可靠的结构有限元模型是一项极为重要的工作。为了提高设计与分析的柔性，需要建立参数化的简化模型。倒角大小对零件的变形影响不大，而对应力有较大的影响。一些小的工艺孔对变形的影响也不大，这样在建模时简化了倒角、部分工艺孔等对分析结果影响不大的细节结构。床身图2简化的磨床床身有限元模型39郭媛美外圆磨床床身结构的拓扑优化设计过程应包括参数化建模、划分网格、加载、求根据尺寸优化的结果设定筋板厚度和筋板间解、后处理和优化迭代等部分。首先确定优化变量。距，图7所示部分(

5、密度小)开孔建立新型的磨床床其中优化变量包括设计变量和状态变量。选取筋板身。经有限元分析得知，新模型比原有模型质量减厚度和如图3所示的筋板间距为设计变量。少，刚度仍能达到技术要求。L一—JX1}：一lI囊一一lI一【图3部分参数图解图4原始模型水平方向位移云图选取导轨的最大变形Ⅱm和导轨的平均变形为状态变量；同时选取位置约束即X3、X4之和在ONL之间作为状态变量，为前床身边缘到后床身边缘的距离，如图2所示。本文选取床身体积vol作为目标函数。综上所述，优化设计模型为：MinvolSt．0<0(1)图5原始模型垂

6、直方向位移云图O<80(2)式中，、一8o分别为导轨允许的最大变形和导轨允许的平均变形。根据设计要求，导轨允许的最大变形是4．1ktm，导轨允许的平均变形是2．0gm。1．2拓扑优化根据筋板壁厚和筋板间距优化的结果建立简化的实体模型，把模型导／k．Hyperworks，设置质量最小为优化目标，以床身刚度为约束条件进行拓扑优图6整体优化后床身位移云图化。2优化结果分析磨床工作时一般承受砂轮、砂轮架、砂轮架垫板、上下工作台、头架、尾架和工件的重量以及磨削力。但磨削力相对较小，因此在分析时忽略了磨削力的作用。将上下工作

7、台、头架和尾架的重量施加给导轨。砂轮、砂轮架、砂轮架垫板的重量施加到后床身上。图4、5所示为原始模型位移云图，床图7拓扑优化结果图身的最大变形，发生在后床身上，由于后床身的变形可以通过调整砂轮架补偿，故本文不考虑此变形。3结语导轨最大变形发生在V型导轨的水平方向上。图6所本文采用两种不同的设计策略对某磨床床身进示为整体优化后床身位移云图。(下转第58页)