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基於（yú）有限元的車床車身結（jié）構優化

2016-12-13 來源（yuán）：大慶油田裝（zhuāng）備製造集團抽油機公司配（pèi）件（jiàn）廠作者：郝軍才

摘要：分析了基於有Ftt,L的車床車身結構優化，以供參考和借（jiè）鑒。

關（guān）鍵詞：有限元（yuán）；車床車身；結構；優化

優化設計是一門新興的科學，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（chǎn）品設計的過程中都是（shì）需要按照沒計的基本要求和標準來製定和選擇最好的方案，從而獲（huò）得最好的設計效果。優化設計就是在這一過（guò）程中發展起來的，在應用中也．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，設計的（de）質量會直接影響（xiǎng）到車床自身的性能發揮，對生產（chǎn）也會產生非常重大的影響，在這樣的情（qíng）況下，我們一定要（yào）采取有效的措施對（duì）其加以控製，隻有（yǒu）這樣，才能更好的實現其（qí）經濟效益和社會效益，因此，在實際的工作中，我們在有限元的基礎上研究車床車身（shēn）結構優化也（yě）有著十分積極的現實意義。

1.在保證原有（yǒu）結構的基礎上（shàng）減薄板厚和肋板的截麵形狀

1.1減薄（báo）板厚（hòu）。在本（běn）車床車身結（jié）構設計中，根據有限元分折的結果，對車床結構中能夠（gòu）做出一（yī）定調整的（de）結構進行了適當的結構優化（huà）。具（jù）體的模型減（jiǎn）重步驟如（rú）下。

首先是在確（què）保原來結構不受影響的情況下，減少床尾板的厚度（dù）。將這一部分厚度減到10ram，一（yī）共減（jiǎn）少了3_2kg。氣促是減少（shǎo）床身中間的三拱厚度，住（zhù）而已位置（zhì）原來（lái）的尺寸是13mm，現在是10mm，可以減少8kg的重量。再次是將原來床頭上（shàng）的（de）板厚由1 4ram變為1 0ram，可（kě）以減少19kg的（de）重量。ilL*t-還要減少床鞍後側平麵的（de）厚度，將厚度降低4mm，其重量會（huì）減少14kg：最後一點是（shì）減少了以上四（sì）個部分的尺寸，就會使得結構自（zì）身的剛度大大下降，也就是（shì）說位移量會明顯的增加（jiā），為（wéi）了對位移（yí）量進行有效的控製，我們可以在實際（jì）的工作中借助不斷的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，結構整體的重量會增加4．1 kg。

1．2床身結構（gòu）優化後的計（jì）算。在經過（guò）了以上幾個步驟（zhòu）的處理（lǐ）之後，模型的總重達到了509kg，和（hé）原模型相比，其重量減少了31．5kg，之後（hòu）對上述狀況下，最大位移量和同有頻率進行計算。在（zài）經過計算（suàn）和比較之後，發現以上兩個參數的變化都（dōu）不是很大，所以（yǐ）這種方案在理論上具有可（kě）行性。

2.改變板厚和肋板（bǎn）的截麵形狀的同時在後側（cè）主平麵上開孔

首先是在改變板厚和肋板截麵積的時溶蝕也要保證設計的合（hé）理性（xìng），也就是前五（wǔ）個步驟全部相同，對第六個步（bù）驟進行適當的調整，在本工程的設計中就是不改變（biàn）薄床（chuáng）鞍後側主平（píng）麵的厚（hòu）度，而是在後（hòu）側主（zhǔ）平麵上進行開孔處理。其次是在計算之後，總重量減少了32kg。最後是方案二的固有頻率有了非常明顯的（de）變化。

3.去掉床身中（zhōng）間的三個拱形支撐重新布置（zhì）肋板

首先，好的對（duì）床身整體結構對床身剛度和固有頻率的（de）基本影響，在本方案當中首先不（bú）考慮床身（shēn）中（zhōng）間的支撐結構，之後誰用全局靈敏度分析以及（jí）平麵結構拓（tuò）撲優（yōu）化的方（fāng）式對床身中部的支撐結構進（jìn）行適當的調整。其次，具體的模（mó）型（xíng）減重步驟是，去除床身中間三拱（gǒng）形支撐和周圍（wéi）的肋板（bǎn）。

4.床身主（zhǔ）側（cè）板上加強筋結構的拓（tuò）撲優化設計

在優化設計的過程中．設計變量的取值是要不斷改變的，這樣就可以達（dá）到目標雨數當中的最小值，但（dàn）是設計變量的變化和取值一定要受到一些（xiē）因素的限製和約束。比如說零件（jiàn）設計中的強度、網4度和失穩條件（jiàn）等都（dōu）要滿足設計的基本要求，在設計變（biàn）量的（de）時候（hòu），設（shè）計的取值範圍也應該有所限製。

因此我們在設計中對與之相（xiàng）關的各種（zhǒng）參數取值進行研究（jiū）也有（yǒu）著十分積極的作用。

拓撲優化的（de）主要目標就是（shì）一套找到承受但何在或者是多荷載的（de）最好（hǎo）的配置方案，這種方案在拓撲優化設計中應該（gāi）采用最大剛度設計，和傳統優化設計方法有（yǒu）著j#常明顯（xiǎn）的不同，拓撲（pū）優化在實際（jì）的操（cāo）作中不需要對參數和優化變量予（yǔ）以定義。目標函數（shù）都是先前就已經設定好的，用戶隻要根據特定的參數有（yǒu）效的措施對其i勘口以處理。

5.橫粱的（de）靈敏度分析

5．1橫粱的結構設計。1)為（wéi）了便於排屑和橫向力（lì）傳（chuán）遞（dì），采用相互平行的（de）橫梁作為連接的析（xī）架。2)為了減重需要對於橫梁的尺寸要（yào）嚴格進（jìn）行計算（suàn），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（dù）計算對5個橫梁的寬度和高度進行汁算。3)在設計中，度大於0．Im以後床身的最大位移變（biàn）化趨勢不大，因此（cǐ）橫梁（liáng）高度選定0．1m。

5．2床身結構改型後的計算。1)通過以上（shàng）方式確定了橫梁的寬（kuān）度和高（gāo）度，經計算5根橫梁總重32kg，比原始的三個拱加兩隔板總重量56kg減少了24k蘭。至此床身的基本尺寸己經確（què）定，修（xiū）改模型（xíng）後得到了該方案（àn）的最終模型，經過Pro／E模型（xíng）分析，得到該模型的重量是（shì）482．9kg與原始（shǐ）模型540．5kg相比減少了33．4kg。同樣（yàng）按（àn）照前麵（miàn）原始模型的加載和固定約束（shù）方式進（jìn）行（háng）計算。計算結果：最大位移84．03微米出現在大山中部，剛度提高近lo微米。2)對該模型進行模態分析，結果為一階固有頻率185Hz，比原始降（jiàng）低了30Hz，但是通過觀察一階振型可以（yǐ）看出，共振位移最（zuì）大點出現在床身下部，而不是原始的大山中部。

6.床身結構優（yōu）化的最終設計方案

6．1橫梁（liáng）結構的優化設計（jì）。對（duì）車床床身的鑄造工藝進行分析（xī）之後，認為（wéi）應該將板減到10ram，鑄造和工藝方麵都是不能吏現的，而方案三是最為理想的方式，其工藝比較合理，在鑄造方麵也沒有任何問題，為了達到減重的目的（de），前後兩側板向上提升40ram。其次（cì）為了可（kě）以更好的減少兩側板的厚（hòu）度差，可以將中間（jiān）量做成T型，這種方法可以（yǐ）十分（fèn）有效的解決板厚差異過大的問題。

6．2依（yī）據實際優化床身結構。1)為鑄造方便，需要添加圓角，添加（jiā）圓角後結構與尺寸：考慮到圓（yuán）角的大小不同，所加圓角位置也有差異，所以可以分隋況進行（háng）計算來（lái）驗證。在T字型情況下．T字型處無圓角，而橫梁與兩側板間添加圓角（jiǎo），圓角大小不同時，對應的（de）減重情況。若存T字型處添加圓角（jiǎo）R15，橫梁與兩（liǎng）側（cè）板間也有（yǒu）圓角，且圓角大小不同（tóng）時（shí），對應的減重（chóng）情況。2)依據有限元計（jì）算結果可以發現，床頭受到的力比較小，床身的變形主要（yào）在與導軌接觸的部分，床頭承受的力比較小，不是主（zhǔ）要的變形區域。基於這種分析，床頭（tóu）前隔板凹凸處（chù）可以開孔。

6．3床身結構優化最終（zhōng）設計方案。經過有限元（yuán）分析得知：床身的（de）最大位移量是88．41微米．比原始最大位移95A09微米小（xiǎo）。但是一階固有頻率為213．72Hz，比原始一階固有頻率為219．76Hz小。固有頻率有所降低，為提高固有頻率，經過計算發現，床尾豎隔板上開（kāi）的孔能使固有頻率嚴重（chóng）降低，在該處開孔僅（jǐn）減少2A6kg，為提高整體的固有頻率，決定在該處不開（kāi）孔。

7.結論

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

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