基於ANSYS Workbench的立式車床回轉工作台結構優化設計*-齒輪加工機床網-數控機床市場網

您現在的位置：齒輪加工（gōng）機床網> 技術前沿>基於ANSYS Workbench的立式車床回轉工作台（tái）結構優（yōu）化設計（jì）*

基於ANSYS Workbench的立式車床（chuáng）回轉工作台結構優化設計*

2016-9-12 來源：西安理（lǐ）工大學機械與精（jīng）密（mì）儀器工程學院（yuàn）作者：魏鋒濤宋俐（lì）代媛

摘要：基於（yú）ANSYS Wor蚰帥ch平台（tái），以某數控立式車床回（huí）轉（zhuǎn）工作台為研究對象。利用拓撲優化（huà）和尺寸優化設（shè）計（jì）方法，對（duì）其進行了以減輕質量和提高結構剛度（dù）為目標的結構優化設計研究。分析（xī）結果表明：與原設計方案相比較，優化改進後的回轉（zhuǎn）工（gōng）作台質（zhì）量減少了24．97％，最大變（biàn）形量減（jiǎn）小了39．8％。而且一階固有頻率也由3"．9 Hz提高到474．9 Hz。

關鍵詞：回（huí）轉工作台；ANSYS Workbench；拓撲優化；尺寸優化

目前，在國內外機床結構設（shè）計中，依然在廣泛采用傳統設（shè）計方法（fǎ）如經驗、類比及簡單的有限元分（fèn）析等方法，這些方法通過與同類結構進行定性的分析和比較，然後取較大的安全係數來保證（zhèng）結構的可靠性。雖然設計過程中也采取了一般（bān）的計算與試驗（yàn），但結構尺寸（cùn）和重量還（hái）是會增大（dà），材料（liào）的潛能不能很好發揮，這也使機床總體結構較為笨重，不（bú）僅使性能難以提高，同時也增（zēng）加了製造成本[1-2]。

回轉工作台是（shì）數（shù）控立式車床（chuáng）的重要組成部分之一，工（gōng）作（zuò）台帶動工件旋（xuán）轉構成了數控立式車床的（de）主運動，它（tā）用以裝夾並支撐工件，且（qiě）其靜（jìng）動態特性直接（jiē）影（yǐng）響機床的加工精度（dù）及加工效率。在機床工作台（tái）設計中，人們總（zǒng）是希望在滿足強（qiáng）度和剛度（dù）的條件（jiàn）下（xià）盡可能地減輕（qīng）工作台的質量。因此，對工（gōng）作台進行靜、動態特性分析及結構（gòu）優化就顯得尤為重要。本文以某數控立式車床回轉工作台為（wéi）研究對象，以減輕質量和提高結構剛度為目的，結合拓撲優化以及尺寸優化設計方法，利用ANSYs Workbench平台對其進行結構優化設計。

1、回轉工作台結構特性分析

1．1回轉工作台結構

數控立式車床回轉工作台的主要（yào）功能是實現工件的裝夾和支撐（chēng），並通過繞主（zhǔ）軸（zhóu）的（de）旋（xuán）轉構成機床的主運動。常規回轉工作台結構（gòu）如圖1所示。回轉工作台底部是導軌支撐（chēng）麵；考慮（lǜ）到工件的安裝及固（gù）定，工作台表麵設計成若幹個T形槽，以方便安裝工裝夾具，並設計（jì）中心孔，與主軸連接配（pèi）合，以實現回轉運動；為了增加工作台的支承剛度，在它的內（nèi）部設計筋板結構。根據數控立式車床整機（jī）設計要求，回轉工作台部件主要（yào）技術參數如（rú）表1所示。

圖l常規回轉工作台結構

表1立（lì）式車床回轉工（gōng）作台（tái）主要技（jì）術參數（shù）

1．2 回轉工作台有限元分析

1．2．1 回轉（zhuǎn）工作台靜（jìng）力學（xué）分析[3-5]。

(1)創建（jiàn）有限（xiàn）元模型

根（gēn）據設（shè）計要求，選擇回轉工作台的材（cái）料為H他00，添加材料信息時，取彈（dàn）性（xìng）模量為1．1×105 MPa，泊鬆比為0．25，密度為7 200 kg／m3。建立回轉工（gōng）作台三維模型（xíng）並進行網格劃分．其網格劃分效果（guǒ）圖如圖2所（suǒ）示。

圖2回轉工作台網（wǎng）格劃分效果圖

(2)添加約束和載荷並求解

立式車床回轉工作台主要實現工件的支（zhī）撐以及帶動（dòng）工件旋轉運動，因此其（qí）承受的主要載荷有（yǒu）回轉工作台自重、工件重量（liàng）、切削扭矩以及驅（qū）動扭矩（jǔ）。在（zài）主軸回轉中心孔施加圓柱約束，由於回轉工作台工（gōng）作中可以做旋轉運動，故圓柱約束（shù）的切向方向自由度不限製。在靜壓導軌麵施加無摩擦約（yuē）束，用以限製（zhì）回轉工作台（tái）的軸向移動，模擬靜壓導軌對回轉工作台的支撐。將上述有（yǒu）限元模型提交運算求解，其靜（jìng）力學分析結果（guǒ）如圖3所示（shì）。

1．2．2回轉工作台模態分析

在ANSYS workbench中直接利用靜力學分析中的有限元網（wǎng）格模型，對（duì）原型回轉工作（zuò）台（tái）進行模態分析。提取原型回轉工作台的前六階模態，其模態（tài）振型如圖4所示，並提取回轉工作台前六階頻率（lǜ）如表2所示。

表（biǎo）2 回（huí）轉工作台前六階頻率

通過以上靜力學及模態分析，獲得了原型回轉工作（zuò）台的最（zuì）大變形、振型（xíng）以及各階頻（pín）率值，可以確定該回轉工作台的靜力學和模態分析結（jié）果均滿足設（shè）計要求，說明其本身設計是合理的（de）。但由圖3可看出，變形和應力雲圖中轉台的小變形區和小應力區過多，變形和應力較大的區域（yù）少，且最大應力值遠小於原材料的屈服（fú）強度。又由圖4可看出，回轉工作台固有頻率和引起機床共振的頻率相差很多，可知該（gāi）回轉工作台原結構設計過於保守造成材料浪費，其結構有待進一步改進，故可利（lì）用拓撲優化和尺寸優化設計方法，對其進行以提高結構剛度、減輕質量為目標的結構（gòu）優（yōu）化設計。

2、回轉工作（zuò）台拓撲優化設計

拓撲優化的思想是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為（wéi）在給定的設計區域內尋求材料的最優分布問題，即（jí）可以（yǐ）通過優化材料分布，體現結（jié）構的載荷傳遞路徑。因此，結合常規型回轉工作台結構，通過拓撲優化依據力學準則提取體現（xiàn）回轉工作台載荷傳遞路徑的“支撐骨架”結構，在不（bú）改變工作台外形結（jié）構及尺寸的前提下，對其內部的加強筋板進行拓撲優化，確定其數量及最佳位置，達到優（yōu）化回轉工作台的結構形式，達到提高轉台支撐剛度並減輕其質量的目（mù）的[6-9]。

2．1拓撲優化模（mó）型前處理

(1)三維模型的建（jiàn）立

建立回轉工（gōng）作台進行拓撲優化設計（jì）所需的三維模型，首先需要（yào）根據（jù）設（shè）計要求，得出（chū）設計最大包絡空間，其次設定設計區域（yù）與非設計區（qū）域，最後對三維模型進行網格劃分。由於（yú）回轉工作台為旋轉體，故選取一個扇形區域進行優化設計，這（zhè）樣不但（dàn）可以正常得到概念模型，還可以大大節省（shěng）時間。回轉工（gōng）作（zuò）台（tái）初始設計區域模型如圖5所示。設定好設計區域和非設計區域後。在ANSYs中（zhōng）對回轉工作台（tái）進行網格劃分。

圖5回轉工作台初始設計區域模型圖

(2)回轉工作台載荷與邊界條件的（de）確定（dìng）

拓撲優化中載（zǎi）荷的傳遞路徑取決（jué）於載荷、約束的類型以及材料去除（chú）體積百（bǎi）分比，與載荷的大小並無直（zhí）接關係。為更好地得到“支撐骨架”結構，需對載荷進（jìn）行簡化。在拓撲優化時對回轉工作台台麵施加（jiā）軸向載荷，這也（yě）是回轉工作台所承受最主要的載荷，並對整個體添加重力加（jiā）速的載荷。同時，在靜壓導（dǎo）軌（guǐ）麵限製z軸移（yí）動，主軸部分限製除繞z軸回轉的（de）其（qí）他五個自由度（dù）。

2．2 回轉工作台拓撲優化及結果分析

基於（yú）ANsYS Workbench平台，采用密（mì）度拓撲（pū）優化方法，以應變能最小為目標，以體（tǐ）積分數、位移為響應建立結構拓撲優（yōu）化模型，運用該模型完（wán）成回轉工作（zuò）台的拓撲優化設計。故將上麵完成的前處（chù）理模型在To一pological Opt中進行運算，提交計算後顯示可去（qù）除材料分布雲圖，如圖6所示。

圖6可去除（chú）材料應力分布（bù）雲（yún）圖

結合（hé）常規回（huí）轉（zhuǎn）工作台結構及拓撲優化結果，對回轉工作台結構形（xíng）態進行修改，最（zuì）終（zhōng）改進後的拓撲優化型回轉工作台結構（gòu）如圖7所示。

圖7拓撲優化型回轉（zhuǎn）工作台結構

為了驗證拓撲優化的效果，對拓撲優化型回轉工作台進行靜力（lì）分析和模態分析，其靜力學分析變形雲（yún）圖如圖8所示，並從質量（liàng）、變形和前六階頻率值三（sān）方麵對原型、拓撲優化型回轉工作台進行對比，其結果對比如表3和表4所示。

圖8拓撲優化型回轉工作（zuò）台（tái）變形雲圖

表3拓撲優化（huà）型回轉工作台性能分析對（duì）比表

表4拓撲優化型回（huí）轉工作台前六階頻率對比表

由表3和表4可知，回轉工作台經拓撲優化後，與原型回轉工作台相比，其質（zhì）量減少了22．33％，最大變形量也（yě）減小了32．71％，基頻也提高了16．3％。因此（cǐ），經過拓撲優化（huà）確定了回轉工作（zuò）台合理的結構形態分布，並達到了提高結（jié）構支撐剛度、減小結構質量的（de）目的。

3、回轉工作台尺寸優化設計

通過拓撲優化設計的回轉工作台還屬於較為概念化模型，需通過尺寸優化確定合理的實際結構尺寸。本節在ANsYS workbench目標驅（qū）動優化模塊中進行基於多目標遺傳算法的回轉工作台尺寸優化設計㈨01。

3．1 回轉工（gōng）作台尺寸優化設計數（shù）學模型

(1)選擇設計變量

在（zài）拓撲（pū）優化（huà）型回轉工作台的基（jī）礎上，不（bú）改變其結構形態，建立參數化模（mó）型，進行（háng）尺（chǐ）寸優化設計。由於回轉工作台的質量主要分布在下半部（bù）分桁架結構的支撐肋板上，並且回轉（zhuǎn）工作台的支撐剛度也（yě）主要（yào）由（yóu）這些支（zhī）撐肋（lèi）板決定（dìng），同（tóng）時為了簡（jiǎn）化參數化建模過程（chéng），故選取支撐架結構中支撐肋板的7個參（cān）數做為尺寸優化參數，即設計變量，其（qí）中參數的（de）選取如圖9所示。

圖9回轉工作台參（cān）數分布圖

因此，尺寸優化設計變量選擇為：

x=[xl，x2，x3，x4，x5，x6，x7】T=【Pl，P2，P3，P4，P5，P6，P7】T式中：P1、P7分別（bié）為內圈肋板的厚度和寬度（dù）；P，、P6分別為中（zhōng）間肋板的厚度和寬度；P3、P4分別為（wéi）外圈肋板底板的厚度和寬度；P2為外圈肋板與工作台麵的夾角。P1、P3、P7的單位（wèi）為（wéi）mm，P2的單位為(。)。

(2)確定約束條件

根（gēn）據回（huí）轉（zhuǎn）工作台設計要求（qiú），給出相應（yīng）的約束條件：

式中（zhōng）：Li和ui分別是設（shè）計變量xi的下限和上限，下（xià）限L設定（dìng）為[8，38，10，14，lo，20，30]T，上限u設定為（wéi）[10，50，20，18，14，35，50]T。其中（zhōng）設計變量的初始尺寸值：Xo=【8，40，15，16，12，30，40】T。

(3)建立目標函數

回轉工作台尺寸優化設計的目的是進（jìn）一步減小回轉工作台質量，同時使其最大變形極小化，故兩個目標函數分別定義為（wéi）：

式中（zhōng）：M(Xi)表示回轉工（gōng）作台的質量；Defmax(Xi)表示回轉工作台的最大變形量。

(4)數學模型

綜上所述（shù），回轉工作台尺寸優化設計的數學模（mó）型為：

3．2 回轉工作台尺寸優化結果分析

(1)Pareto前沿（yán）

提（tí）交多目標遺傳算法（fǎ）尺寸優化設置並計算，可（kě）得到一組（zǔ）Pareto最優解集。同（tóng）時得到轉台質量Mass和最大變形量T0tal一（yī）Def的權衡(Tradeoff)圖，如圖（tú）10所示。由圖10可看出，獲得的Pareto前（qián）沿已經（jīng）非常清晰。每一個離散點都（dōu）代表其中（zhōng）的一個設計點對應的兩個目標函數值，由於目標（biāo）函數都是取最小值，因此，Pa．reto前沿都集中靠（kào）近在兩個坐標（biāo）軸的附（fù）近。

圖10質量和最大變形量的Pareto Front

圖11優化候選解

2)回轉工作台尺寸優化結果

尺寸優化分析計算之後，在Pareto最優前沿中選取3個候選設計點(candidate points)，如圖11所示。結合尺寸優化計算結果，從回轉工作台的結（jié）構、最大變形量及質量3個方麵考慮，在保證回轉工作台達到使用要求的前提下，確定候選設計點A為最優方案計點（diǎn），並將參數圓整，整理後（hòu）的（de）回轉工作台尺寸（cùn）優化前後的參數見表5。

表5回轉工（gōng）作台尺寸優化前後參數對比表

(3)尺寸優化型與原型及拓撲型回轉工作台特性對比分析

為了驗證尺寸優化效果，根據表5中優化後的尺寸參數修改回轉工作台三維模型，對其進行靜力學和模態分析，其靜力（lì）學（xué）分析變形雲圖如圖12所（suǒ）示，並從質量、變形和前六階頻率（lǜ）值三方（fāng）麵對原型、拓撲優化型及尺寸優化型回轉工作（zuò）台進行對比，其對比結果（guǒ）如表6和表7所示（shì）。

表6尺寸優化型回轉工作台性能分析對比表

表7尺寸優化型回轉（zhuǎn）工作台的前六階固有頻率對比表

單位：Hz

圖12尺寸（cùn）優化型回轉工作台變形雲圖

由表6和（hé）表7可知，回轉工作台經過尺寸優化後，與原型回轉工作台（tái）相比，其質量減少了24．97％，最大變形量也減小了（le）39．8％，一階固有頻率也提高了18．75％；與拓撲型回轉工作台相比（bǐ），其質量減少（shǎo）了3．4％，最大變形量也減小了10．49％，一階固有頻率也提高了2．1％；因此，通過回轉工作台尺寸優化設計（jì），在減輕結構質量的同時，也達到了提高（gāo）回轉工作台支（zhī）撐剛度的目的。

4、結（jié）語（yǔ）

本文（wén）在數控立式車床回轉工作台部件（jiàn）常（cháng）規設計（jì）的基礎上，以減輕結（jié）構質量、提高結構剛度為目標，進（jìn）行了拓撲優（yōu）化和尺寸優化設計以及靜動態特性分析（xī），確定了回轉工作台合理的結構形態布局以及關鍵尺寸。由優化結果分析可知，通過對回轉工作台（tái）優化（huà）改進，原工作（zuò）台質量由90．9 kg減小到（dào）68．2 kg，減輕了22．7kg；最大變形量由2．69×10～mm減小到1．62鬥m；一階固有頻率也由（yóu）399．9 Hz提高到474．9 Hz；達到了減小結構質量、提高結構支撐剛度的綜合優化效果，也為其他機床工作台結構設計提供了（le）有益參考。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業（yè）數據

| 更多

博文選萃

| 更多