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基於有限元的車床車身結構優化

2016-12-13 來源：大慶（qìng）油田裝備製造集團抽油機公司配件廠作者：郝（hǎo）軍才

摘要：分析了基於有Ftt,L的車床車（chē）身結構優（yōu）化，以供參考和借鑒。

關鍵詞：有限元；車（chē）床車身；結（jié）構（gòu）；優化

優化設計是一門新興（xìng）的科學，同時它也是一項非常重要的新型技術，在工程設計的很多方麵都得到了非常好的（de）應用。在工程產品設計（jì）的過程中都是（shì）需要按照沒計的基本要（yào）求和標準來製定和選擇最好的方案（àn），從而獲得最好的設計效果。優化設計就是在（zài）這一過程中發展起來的，在應（yīng）用中（zhōng）也．充分的標明優化設計能夠為複雜問題的解決提供非常好的條件。車床車身的優化謝十是菲常重要的—個內容，設（shè）計（jì）的質量會直（zhí）接影響到車床自身的性能發揮，對生產也會產生非常重大（dà）的影響（xiǎng），在這樣的情況下，我們一定要采取有效的措施對其加以控製（zhì），隻有這（zhè）樣，才能（néng）更好的實現其經（jīng）濟效益和社會效益（yì），因此，在（zài）實際的工作中（zhōng），我們在有限元的（de）基礎上研究車床車（chē）身結構優化也有著（zhe）十分積極的現實意（yì）義。

1.在保證（zhèng）原（yuán）有結構的基（jī）礎上減（jiǎn）薄板厚和（hé）肋板的截麵形狀

1.1減（jiǎn）薄板厚。在本（běn）車床（chuáng）車身結構設計中，根據有限元分折（shé）的結果，對車床結構中能（néng）夠做出一定調整的結構進行了適當的結構優化。具體的模型減重步驟如下（xià）。

首先是在確保（bǎo）原來結構不受影響的情況下，減少床尾板的厚（hòu）度。將這一部（bù）分厚度減到10ram，一共減少（shǎo）了3_2kg。氣促（cù）是減少床身中間的三拱厚度，住而已位置原來的尺寸是13mm，現（xiàn）在是10mm，可以減少8kg的重量。再次是將原來床頭上的板厚由1 4ram變為1 0ram，可以減少19kg的重量（liàng）。ilL*t-還要減少床（chuáng）鞍後側平麵的厚度，將厚度降低4mm，其重量會減少14kg：最後（hòu）一點是減少了（le）以上四個部分的尺寸，就（jiù）會使得結構自身的剛（gāng）度大大下降，也就是說位移量會明顯的增加，為了對位移量進行有效的控製，我（wǒ）們可以在（zài）實際的工作中借助不斷的（de）增大板肋的寬度來對變形量予以有效的控製，需要增大加強肋板的寬度，結構整體（tǐ）的重量會增加4．1 kg。

1．2床身結構優化後的計算。在經過了以上幾個步驟的處理之後，模型的總重（chóng）達到了509kg，和原模型相比，其重量減少（shǎo）了（le）31．5kg，之後對上述狀況下，最大位移量和同有頻（pín）率進行計算。在經過計算和比較之後（hòu），發現以上（shàng）兩個參數的變化都不是很大（dà），所以這種方案在理論上具（jù）有（yǒu）可行性。

2.改（gǎi）變板厚和（hé）肋板的截（jié）麵形狀的同時在後側主平（píng）麵上開孔

首先是在改變板（bǎn）厚（hòu）和肋板截麵積（jī）的時溶（róng）蝕也（yě）要保證設計的合理性（xìng），也（yě）就是前五個步驟全部相同，對第六個步驟進行適當的調整（zhěng），在本工程的設計中就是不（bú）改變薄床鞍後側主平麵的厚度，而是在後側主平麵上進行（háng）開孔處理。其次是在計算之後，總重量減少了32kg。最後是（shì）方案二的（de）固有頻率有了非常明顯的變化。

3.去掉床身中間的三個拱形支撐重新（xīn）布置肋（lèi）板

首先，好的對床身整體結構對床身剛度和固有頻率的基本影響，在本方案當中首先不考慮床身中（zhōng）間的支撐結構，之後誰用全局靈敏度分析以及平麵結構拓撲優化的方式對床身中部的支撐結構（gòu）進行適當的（de）調整。其次（cì），具（jù）體的模型減重步驟是，去除床身中間三拱形支撐和周圍的肋板。

4.床身主側板上加強筋結（jié）構的拓撲優化設計

在優化設計的過程中．設計（jì）變量的（de）取值是（shì）要不（bú）斷（duàn）改變的，這樣就可以達到目標雨數當中的最小（xiǎo）值，但是設（shè）計變量的變化和取值一定要受到一些因素的限製和約束。比如說零件設計（jì）中的強度、網4度和失穩條件等都要滿足設計的基本要求，在設計（jì）變量的時（shí）候，設計的取（qǔ）值範圍（wéi）也應該有所限製。

因（yīn）此我們在設（shè）計中對（duì）與之相關的各種參數取值進行研究也有著十分積極的作用。

拓撲優化的主要目（mù）標就是一套找（zhǎo）到承受（shòu）但何在或者是多荷載（zǎi）的最好（hǎo）的配置方案，這種方案（àn）在拓撲優化設計中（zhōng）應該采（cǎi）用（yòng）最大剛度設計，和傳統優化設計方法有著j#常明顯的不同，拓撲優化在（zài）實際的操作中不需要對參數和優化變量（liàng）予（yǔ）以定義。目標函數都是先前就已經設定好的，用戶隻（zhī）要根據特（tè）定的參數有效（xiào）的措施對其i勘（kān）口以處理。

5.橫粱的靈敏（mǐn）度分析

5．1橫粱的（de）結構設（shè）計。1)為了便於排屑和橫向力傳遞，采用相互平行的橫梁作為連接的析架。2)為了減重需要對於橫梁的尺寸要嚴格進行計算，力求在盡可能小的尺寸範圍內得到較大的剛度。這裏采用全局靈敏度計算對（duì）5個（gè）橫梁的寬度和高度進行汁算。3)在設計（jì）中，度大於0．Im以後床身的最大位移變化趨勢不大，因此橫梁高度選定0．1m。

5．2床身結構改型後的計算。1)通過以上方（fāng）式（shì）確定了橫梁的寬度和高度，經計算5根橫梁總（zǒng）重32kg，比原始的三個拱加兩（liǎng）隔（gé）板總重量56kg減少了24k蘭（lán）。至此床身的基本尺寸己（jǐ）經確定，修改模型後得到了該方案的最（zuì）終模型，經過Pro／E模型分析，得到該模（mó）型的重（chóng）量（liàng）是（shì）482．9kg與原（yuán）始模型540．5kg相比（bǐ）減少了33．4kg。同樣按照前麵原始模型的加（jiā）載和固定約束方式進行計算。計算結果：最大位移84．03微（wēi）米出現在大（dà）山中部，剛度提高近lo微米。2)對該模型進行模態分（fèn）析，結果為一階固有（yǒu）頻率185Hz，比原始降低了30Hz，但是（shì）通過觀察一階振型可以（yǐ）看出，共振位移最大點出現在床身下部，而（ér）不是原始的大（dà）山中部。

6.床（chuáng）身結構優化的（de）最終設計方案

6．1橫梁（liáng）結構的優化設計。對車床床身的鑄造工藝進行分析之後，認為應該將板減（jiǎn）到10ram，鑄造和工藝方麵都是不能吏現的，而方案三是最為理想（xiǎng）的方式，其工藝比較合理，在（zài）鑄造方麵也沒有任何問題，為了達到減重的目（mù）的，前後（hòu）兩側板向上（shàng）提升40ram。其次為了可以更好的減少兩側（cè）板的厚度差，可以將（jiāng）中間量做成T型，這種方法可（kě）以十分有效的解決板厚差異過大的問題。

6．2依據（jù）實際優化床身（shēn）結構。1)為鑄造方便，需要添加圓角（jiǎo），添加圓角後結（jié）構與尺寸（cùn）：考慮到圓（yuán）角的大小不同，所加圓角（jiǎo）位置也有差異，所以可以分隋況進行計算來驗（yàn）證。在T字（zì）型（xíng）情況下．T字型處無圓角，而橫梁（liáng）與兩側板間添加（jiā）圓角，圓角大（dà）小（xiǎo）不同時，對應的（de）減重情（qíng）況。若（ruò）存T字型處添（tiān）加圓角R15，橫梁（liáng）與兩側（cè）板間也有圓角，且圓角大小不（bú）同時，對應（yīng）的減（jiǎn）重情況。2)依據有限元計（jì）算結果可以發現，床（chuáng）頭受到的力（lì）比較小，床身的變形主要在與導軌接觸的部分，床頭承受的力比較小，不是主要的變形區域。基於這種分析，床頭前隔板凹凸處可（kě）以開孔（kǒng）。

6．3床身結構優化最終設計方案。經過有限元分析得知：床身的最大位（wèi）移量是88．41微米．比原（yuán）始（shǐ）最大位移95A09微米小。但是一階固有頻率為213．72Hz，比原始一（yī）階固有頻率為219．76Hz小。固有頻（pín）率有所降低，為提高固有頻率（lǜ），經過計算發現，床尾豎隔板上（shàng）開的孔能使固有頻率嚴重降低，在該處開孔（kǒng）僅減少2A6kg，為提高（gāo）整體的固有頻率，決定在該處不開孔。

7.結論

該結構設計（jì）方案經大連機床集團論證，並且整機裝配後做了車床切削性能試驗，經過反複（fù）試驗，達到使用性能要求。經過對車床的（de）動態性能試驗，試驗結果與（yǔ）有限元計算分析的結果相吻合。實驗表（biǎo）明機床的剛度（dù）、強度和固有頻率方麵達到使（shǐ）用要求。

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