基於有限元的車床車身結構優化（huà）
2016-12-13 來（lái）源：大慶油田（tián）裝備製造（zào）集團抽油機公司配件廠 作者：郝（hǎo）軍才
摘要：分（fèn）析了基於有Ftt,L的車床車身（shēn）結（jié）構優化，以供參考和借鑒。
關鍵詞：有限元；車床車身；結（jié）構；優化（huà）
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應用（yòng）。在工程產品設計的過程中都是需（xū）要按照沒計的基本要求和標準來製定和選（xuǎn）擇最好的方案，從而獲得最好的設（shè）計（jì）效（xiào）果。優化設計就是在（zài）這一過程中發展起來（lái）的，在應（yīng）用中也．充分的標明優化設計能夠為複雜（zá）問題的解（jiě）決提（tí）供非常好的條件。車床車身的優化謝十是菲常重（chóng）要的—個內容，設計的質量會直接影響到車床自身的性能發揮，對生產（chǎn）也會產生非常（cháng）重大的影響，在這樣的情況下，我們一定（dìng）要采取有效的措施對其加以控製，隻（zhī）有這樣，才能更好的實現其經濟效益和社會效益，因此，在實際（jì）的工作中（zhōng），我們在有限元的（de）基礎上研究車床車身結構優化也有著十分積極的現實意義（yì）。
1.在保證原有（yǒu）結構的基礎上減薄板厚和肋板（bǎn）的截麵形狀
1.1減薄板厚。在本車床車身結構設計中，根據有限元（yuán）分折的結果，對車床結構中能夠做出一定調整的結構進行了（le）適當（dāng）的結構優化。具體的模型減重（chóng）步驟如下。
首（shǒu）先是在（zài）確保原來結構不受影響的情況下，減少床尾板的厚度。將這一部分厚度減到10ram，一共（gòng）減（jiǎn）少了3_2kg。氣促是減少床身中間的三拱厚度，住而已位置原來的尺寸是13mm，現在是10mm，可以減少8kg的重（chóng）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（chóng）量。ilL*t-還要減少床鞍後側平（píng）麵的厚度，將厚度降低4mm，其重（chóng）量會（huì）減少14kg：最後一點是減少了以上四個（gè）部分的尺寸，就會使得結構自身的剛度大大（dà）下降，也就是說位移量會明顯的增加，為了對位移量進（jìn）行有效的控製，我們可以在實際的工作中（zhōng）借助不（bú）斷的增大板肋（lèi）的寬度來對變形量予以有效的（de）控製，需要增大加強肋板的寬（kuān）度，結構（gòu）整體的重量會增加4．1 kg。
1．2床身結構優化後（hòu）的計算。在經過了以上幾個步驟的處理之後，模型的總（zǒng）重達（dá）到了509kg，和原（yuán）模型相（xiàng）比，其重量減少了31．5kg，之後對上述狀（zhuàng）況下，最大位移量和同有頻率進（jìn）行計算。在（zài）經過計算和比較（jiào）之（zhī）後，發現以上兩個參數的變化都不是很大，所以這種方案在理論上具有可行性。
2.改變板厚和（hé）肋板的截麵形狀的同（tóng）時在後側主平麵上開孔
首（shǒu）先是在改變（biàn）板厚和肋板截麵積的時溶（róng）蝕也要保證設計的合理性，也就是前（qián）五個步驟全部相（xiàng）同，對第六個步驟進行適當的（de）調整（zhěng），在本工（gōng）程（chéng）的（de）設計中就是不改變薄床鞍後側主平麵的厚（hòu）度，而是在後側主平麵上進行開孔處理。其（qí）次是在計算之後，總重量減少了32kg。最後是方案二的（de）固（gù）有頻率有了非常明顯的變化。
3.去掉床（chuáng）身中間的三個拱形（xíng）支撐重新布置肋板
首（shǒu）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（zài）本方案當中首先不考慮床身中間的支撐結構，之後誰用全局靈敏度（dù）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進行適當的（de）調（diào）整。其次，具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（zhǔ）側板（bǎn）上加強筋結構的拓撲優化設計
在優化設計的過程中．設計變量的取值是要（yào）不斷改變（biàn）的（de），這樣就可以達（dá）到目標雨數當中的最小值，但是設計變量的變化和取值一定要受到一些（xiē）因素的（de）限製和約束（shù）。比如說零件（jiàn）設計中的（de）強度、網4度和失穩條件等都要滿足設計的基本要求，在設計變量的時候，設計的取值範圍也應該有所限製（zhì）。
因此我們在設計（jì）中對與之相關的各種參數取值進行研究也有著十分積極的（de）作用。
拓撲優化的主要目標（biāo）就是一套找到承受但何在或者是多荷載的最好的配（pèi）置方（fāng）案，這種方案在拓撲（pū）優化設計中應該采用最大剛（gāng）度設計，和傳統優化設計方法有著j#常明顯的（de）不同，拓撲優化在實際的操作中不需要對參數和優化變量予以定義。目標函數都是先前就已經設定好的（de），用戶隻要根據特定的參數有效的措施對其i勘口（kǒu）以處理。
5.橫粱的靈敏度分析
5．1橫粱的結構（gòu）設計。1)為了便於（yú）排屑和（hé）橫向力傳遞，采用相（xiàng）互平行的橫梁作為連（lián）接的析架。2)為了減（jiǎn）重需要對於橫梁的（de）尺寸要嚴格進行計算，力求在盡可能小的尺寸範圍內得（dé）到（dào）較（jiào）大的剛度（dù）。這裏采用全局靈敏度計算對5個橫梁的寬度和高度進行汁（zhī）算。3)在設計中，度大於0．Im以後床身的（de）最大位移變化趨勢不大，因此（cǐ）橫梁高度選定0．1m。
5．2床身結構改型後的（de）計算。1)通過以上方式確定了（le）橫梁的寬（kuān）度和高度，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定，修改模（mó）型後得到了該方（fāng）案的最終模型，經過Pro／E模型分析，得到該模型的重量是482．9kg與原始模型（xíng）540．5kg相比減少了33．4kg。同樣按（àn）照前（qián）麵原始模型的加載和固定約束方式進行（háng）計算。計（jì）算（suàn）結果：最大（dà）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（háng）模態分析，結果為一階固有頻率185Hz，比原始降低（dī）了30Hz，但是通過觀察一階振型（xíng）可以（yǐ）看出，共振（zhèn）位移最大點出現在床身下部，而不是原始的大山（shān）中部。
6.床身結（jié）構優化的最終設計方案
6．1橫梁結構的優化設計。對車床床身（shēn）的鑄造工藝進行分析之後，認（rèn）為應該將板（bǎn）減到10ram，鑄（zhù）造和工藝方（fāng）麵都是不能吏現的，而方案三是最為理想的方（fāng）式，其（qí）工藝比較合（hé）理（lǐ），在鑄造方麵也沒有任何問題，為了達到減（jiǎn）重的目的，前後兩側（cè）板向上（shàng）提升40ram。其次為了可以更好的減少兩側板的（de）厚度差，可以將中（zhōng）間量做成T型，這種方法（fǎ）可以十分有效的（de）解決板厚差異（yì）過大的問題。
6．2依據實際優化（huà）床（chuáng）身結構。1)為鑄造方便，需要添加圓角，添加（jiā）圓角後（hòu）結構與尺寸：考慮到圓角的（de）大小（xiǎo）不同，所加圓角位置也有（yǒu）差異，所以可以分（fèn）隋況進行計算來驗證。在（zài）T字型情況下．T字型處（chù）無圓（yuán）角，而橫梁與兩側板間添加圓角，圓角大小（xiǎo）不同時，對（duì）應的減重情況。若（ruò）存T字型處添加圓角R15，橫梁與兩側板間也有圓角，且圓角大小不同時，對應的減重情況。2)依據有限元計算結果可以發現，床頭受到的力比較小（xiǎo），床身的變形主（zhǔ）要在與導軌接觸的（de）部分，床頭承受的力比（bǐ）較小，不是主要的變（biàn）形區域。基（jī）於這（zhè）種分析，床頭前隔（gé）板凹凸處可以開孔。
6．3床（chuáng）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（dà）位移量是88．41微米．比原始最大（dà）位移95A09微米（mǐ）小。但（dàn）是一階固有（yǒu）頻率為213．72Hz，比原始一階固有頻率（lǜ）為（wéi）219．76Hz小。固有頻率有所降低（dī），為提高（gāo）固有頻（pín）率，經過計算發現，床尾豎隔板上開的孔能使固有頻率嚴重降低，在該處（chù）開孔僅減少2A6kg，為提高整體的固有頻率，決定在該處不開孔。
7.結論
該結構設計方案經（jīng）大連機床（chuáng）集團論證，並（bìng）且整（zhěng）機裝配後做了車床切削性能試（shì）驗，經過反複試驗，達到使用性能要求。經過對車床的動態（tài）性（xìng）能試（shì）驗，試（shì）驗結果與有限元（yuán）計算分析的結果相吻合。實驗（yàn）表明機床的（de）剛（gāng）度、強度和固有（yǒu）頻率方麵達（dá）到（dào）使用要求。
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