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基（jī）於（yú）有限元的車床車身結（jié）構優化

2016-12-13 來源：大慶油田裝備製造集團抽油機公司配件廠作者：郝軍才

摘要：分析了基（jī）於有Ftt,L的車床車身結構優化，以供（gòng）參考和借鑒。

關鍵詞：有限元；車床車身；結構；優化

優化設計是（shì）一門新興的科學，同時它也是一項非（fēi）常重要的新型技術，在工程設計的很多方麵都（dōu）得到了（le）非常好的應用。在工程產（chǎn）品（pǐn）設計的過程中都是需要按（àn）照沒計的（de）基（jī）本要求和標準來製定和選擇最好的方案，從而獲得最好的設計效果。優化設計就是在這一過程中發展起（qǐ）來的，在應用中也．充分的標（biāo）明優化設（shè）計能夠為複雜問題的解決提供非（fēi）常好的條（tiáo）件。車床車身的優化謝十是菲常重要的—個內容，設計的質量會直接影響到車床自身的性能發揮，對生產也會產生非常重大的影響，在這樣的情況下，我們一定要（yào）采取有效的措施對其加以控製（zhì），隻有這樣，才能更好（hǎo）的實現其（qí）經濟效益和（hé）社（shè）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（chuáng）車身結（jié）構優化也（yě）有著（zhe）十分積（jī）極的現實意義。

1.在（zài）保證（zhèng）原有結構的基礎上（shàng）減薄板厚和肋板的截麵形狀

1.1減薄板厚。在本車床車身結構設計中，根據有（yǒu）限（xiàn）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）適當的結構優化。具體的模型減重步（bù）驟如下。

首先是在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，一共減少了3_2kg。氣促（cù）是減少床身中間的三拱（gǒng）厚度，住而已位置原來的尺寸是13mm，現在是10mm，可以（yǐ）減少8kg的重（chóng）量。再次（cì）是將原來床頭上的板厚由1 4ram變為（wéi）1 0ram，可以減少19kg的重量（liàng）。ilL*t-還要減（jiǎn）少（shǎo）床鞍後側平麵的厚度，將厚度降（jiàng）低4mm，其重量會減少14kg：最後一點是減少了以上四個部分的（de）尺寸，就會使得結（jié）構自身的剛度大大下降，也就是說位移量會明顯的增加，為了對位移量進行（háng）有效的控製，我們可以在（zài）實際的工作中借助不斷的增大板肋的寬（kuān）度來對變形量予以有效的控製（zhì），需要增大加強肋板的寬度，結構整體的（de）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，模型的總重達到了509kg，和原模型相比，其重量減少了31．5kg，之後對上述狀況下，最（zuì）大位移量和同有頻率進行計算。在經過計算和比較之後，發現以上兩個參數的變化都不是很大，所（suǒ）以這種方案在（zài）理論上具有可行性。

2.改變板厚和肋板的截麵形狀的同時在後側主平麵上開孔

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理性，也就是前（qián）五個（gè）步驟全部相同，對第六個步驟進行適當的調整，在本工程的設計中就是不改（gǎi）變薄床鞍後側主平麵的（de）厚度，而是在後側主平麵上（shàng）進（jìn）行開孔處（chù）理。其次是在計算之後，總重量減少（shǎo）了32kg。最後是方案二（èr）的固有頻率有了（le）非常明顯（xiǎn）的變化。

3.去掉床身中（zhōng）間的三個拱形支撐重新布置肋板

首先，好的（de）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間的支撐結構，之後誰用全局靈敏度分析以及平麵結（jié）構拓撲優化的方式對床（chuáng）身中部的支撐結構進行適當的調整。其次，具體的（de）模型減重步驟是，去（qù）除（chú）床身中間三拱形支撐和周圍的肋板。

4.床（chuáng）身主側板上加強筋結（jié）構的拓撲（pū）優化設計

在優（yōu）化設計的過程中（zhōng）．設計變量的取值是要不斷（duàn）改變的，這樣就可以達到目標雨數當中的最小值，但是設計變量的變化和取值（zhí）一定要受到一些因素的限製（zhì）和約束。比如說零件設計中的強（qiáng）度、網4度（dù）和失穩條件等都（dōu）要滿足設計的基本要求（qiú），在設（shè）計變量的時候，設計的取值範圍也應該有（yǒu）所限製。

因此我們在設計中對與之相關的各種參數（shù）取值進行研究也有著（zhe）十分積極的作（zuò）用（yòng）。

拓撲優化的主要目標（biāo）就是一套（tào）找到承受但何在或者是多荷載的最好的配置方案，這種方案在（zài）拓撲（pū）優化設計中（zhōng）應該采用最大剛度設計，和傳統（tǒng）優化設（shè）計方法有著j#常明顯的不（bú）同，拓撲優化在實際的操作中不需要（yào）對參數和優（yōu）化變量予以定義。目標函數都是先前就已經設定好的，用戶隻要根據特定（dìng）的參數有效的措施對其i勘口以處理。

5.橫粱的靈敏度分析

5．1橫粱（liáng）的結構設（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（de）尺寸要嚴格（gé）進行計（jì）算，力求在盡可能小的尺寸範圍（wéi）內得到（dào）較大的剛度。這裏采用（yòng）全局靈敏度計算對5個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（de）最大位移變化趨勢不（bú）大，因此（cǐ）橫梁高度選（xuǎn）定0．1m。

5．2床身結構改型後的計（jì）算。1)通過以上方式確定了橫（héng）梁（liáng）的寬度和高度，經計算（suàn）5根橫梁（liáng）總重32kg，比原始的三個（gè）拱加兩隔板總重量56kg減少了24k蘭。至（zhì）此床身（shēn）的基本尺寸己經確定，修改模（mó）型後得到了該方案的最終模型，經過Pro／E模型分析（xī），得到該（gāi）模型（xíng）的重量是482．9kg與原始模型540．5kg相（xiàng）比減少了33．4kg。同樣按照前麵原（yuán）始模（mó）型的加載和固定約束方式進（jìn）行計算（suàn）。計算（suàn）結果：最大位移84．03微米出現在大（dà）山中部，剛度提高（gāo）近lo微米。2)對（duì）該模型（xíng）進行模態分析，結果為一（yī）階固有頻率185Hz，比（bǐ）原始降低了30Hz，但是通過觀察一階振型可以看出，共振位（wèi）移最大點出現（xiàn）在床身下部，而不是原（yuán）始的大山中部。

6.床（chuáng）身結構優化的最終設計方案

6．1橫梁結構的優化（huà）設計（jì）。對車（chē）床床身的鑄造工藝進行分析之後，認為應該將板（bǎn）減到10ram，鑄造（zào）和工藝方麵都是不能吏現的，而方案三是最為（wéi）理想的方式，其工藝比較合（hé）理，在鑄造方麵也沒有任何問題，為了達到減重的目的，前後兩側板向上（shàng）提升40ram。其次為了可以更好的減少兩側板的厚度（dù）差，可以（yǐ）將中間量做成T型，這（zhè）種方法可以十分有效（xiào）的解決板厚差異過大的問（wèn）題。

6．2依據實際優化床身結構。1)為鑄造方便，需要添加圓角，添加圓角後結構與尺寸：考慮到圓角的大小不同（tóng），所加圓角位置也有差異，所以（yǐ）可以分隋況進行計算來驗證。在T字型情況下．T字型（xíng）處無圓角，而橫梁與兩側板間添加圓角，圓角大小不同時，對應的減重情況。若存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（bú）同時，對應的減重情況。2)依據有限元計算結果可以發現（xiàn），床頭受（shòu）到（dào）的力比較小，床身的變形主要在與導（dǎo）軌接觸的（de）部分，床（chuáng）頭承（chéng）受的力比較小，不是主要的變（biàn）形區域。基於這種分析，床（chuáng）頭前（qián）隔板凹凸處可以開孔。

6．3床（chuáng）身（shēn）結構優化最終設計方案（àn）。經過有限（xiàn）元分析得（dé）知：床身的最大位移量是88．41微米．比（bǐ）原始最大位移（yí）95A09微米小。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（pín）率有所降低，為提高（gāo）固有頻率，經過計算發現，床尾豎隔板（bǎn）上開的孔能使固有頻率嚴重降低，在該處開孔（kǒng）僅減少（shǎo）2A6kg，為提高整（zhěng）體的固有頻率，決定在該處不開孔（kǒng）。

7.結論

該結構設計方案經大（dà）連機床集團論證，並且整機裝配後做了（le）車（chē）床切削性能試驗，經過反複試（shì）驗，達（dá）到使用性能要求（qiú）。經過對車床的（de）動態性能試驗，試驗結果與有限元計算分析的結果相吻合。實驗表明機床的剛度、強度和固有（yǒu）頻率方（fāng）麵達到使用要求。

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