数控机床结构热性能分析与支撑部件拓扑优化设计.pdf

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1、·机械研究与应用·2013年第5期(第26卷，总第127期)设计与制造数控机床结构热性能分析与支撑部件拓扑优化设计戴冠林(苏州大学，江苏苏州215137)摘要：针对数控机床结构受热时，温度应力导致的机床微小变形，介绍使用ANSYS软件进行机床结构热性能分析模拟研究过程，其中包括机床连续区域的模型构建、网格划分、插值函数的构建、参数设置及边界约束的设置等等流程。通过实际机床案例进行机床支撑部位的拓扑优化设计研究，经实践证实，拓扑优化效果明显，整机结果令人满意。关键词：机床结构；热性能分析；支撑部位；拓扑优化设计中图分类号：TH12

2、2文献标志码：A文章编号：1007—4414(2013)05—0131—04ThermalPerformanceAnalysisofNCMachineToolStructureandTopologyOptimizationforSupportingComponentsDAIGuan—lin(SoochowUniversity，SuzhouJiangsu215137，China)Abstract：WhentheNCmachinetoolisintheconditionofheat，itsufersthetemperaturestr

3、esswhichcouldleadthestruc—tureoccuringsmalldeformation．TheprocessofthermalperformanceanalysisofmachinetoolisintroducedbyANSYS．Whichincludesbuildingcontinuousareaofthemachinetoolmodel，meshinggeneration，differencefunctions，parametersettingandboundaryconstraintsetting．T

4、hroughananalysisofsupposingcomponentsofmachinetoolbytopologyoptimizationdesign，theresultsshowtheoptimizationresultsiswel1．Keywords：machinetoolstructure；thermalperformanceanalysis；supposingcomponents；topologyoptimizationdesignl引言导致了对于机床温度应力的研究带来了困难，传统的数控机床是机电一体化的典型产品，

5、是集机床、解析方法来确定如此复杂的温度场应力几乎是不可计算机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身能的。然而有限元却为上述问题提供了一种便利。的自动化设备，具有高精度、高柔性、高度自动化的特在解决机床结构的稳态热传导问题时，使用AN—点等。数控机床的加工精度虽然很高，但会受到很多SYS有限元软件有其独有的优势，以下为有限元软件因素的影响。影响机床加工精度的因素主要有生产来解析机床结构稳态温度应力的过程。的热特性、静力及动力特性。然而机床工作过程中不2．1连续区域的离散化可避免的受热，会导致机床受到温度应力作用而产生连续区域的

6、求解只得到一种均值解，而难以得到微小变形，导致生产精度降低。因此研究机床的热性准确解，只有通过将解析区域进行离散化处理，使其能和支撑部件的静力及动力特性有着重要意义，只有形成一组有限个的相互联结的单元组合体。然后利通过对机床自身的温度场的分析，才能改进机床受到用每个单元内的近似函数进行求解该区域的未知场温度应力所导致的温度应变。通过拓扑优化设计改函数，就使未知场函数区域的节点又形成了新的未知进机床支撑部位的变形，提高机床的生产精度。量，这样就导致了一个连续的问题随着单元区域的划2机床结构热性能分析J分变得有限化。随着单元区域的越

7、精细化，其所求的机床在温度变化的情况下运行时，其构件都将会解将会得到无限近似。存在温度应力的问题，即由于温度改变导致的机床构2．2构建差值函数件的微小变形对于机床正常运行的影响。一般情况对于机床的有限元解析其结构的热性能分析时，下，机床在正常运行时所存在的温度应力处于稳态，通常情况下，都是使用形状插值法，即认为所划分的在机床开启与关闭瞬间，其温度瞬间增加或降低，会单元的温度71为其单元各接点温度。之和。其数学存在一个瞬态的温度应力。这些温度应力的存在对表达如下：于机床的运行与控制带来麻烦的同时，还有可能成为T=NT机床运行中的控

8、制应力。2．3系统方程的求解与解析机床结构的复杂性以及温度条件改变的随机性，通过节点的插值函数构建单元热传导的泛函数，收稿日期：2013—07—25作者简介：戴冠林(1975一)，男，江苏盐城人，讲师，硕士，主要从事机械CAD／CAM／CAE方面的研究工作。·l