床鞍結構構型與參數設計

袁明超++石雙山

摘 要：機床部件的輕量化結構設計有利于提高機床的競爭力。借助于計算機工具和有限元軟件，利用結構分析和結構優化技術進行部件數字化設計己成為數控機床輕量化結構設計的必然趨勢。與傳統設計方法相比，它可以大幅提高設計效率，縮短設計周期，減少設計過程中的材料和能源消耗，顯著提高經濟效益。

關鍵詞：主筋板結構；尺寸優化

1.床鞍主筋板結構構型設計

本文將根據床鞍結構拓撲優化結果進行床鞍背面的主筋板結構構型設計。本文借助ANSYS軟件優化床鞍的主筋板結構，并對設計和改進提供參考依據。

1.1結構構型設計

根據機床支承件設計中常用的筋板結構形式，給出了以下四種主筋板的結構構型方案，如圖1.1所示。其中，方案一到方案四分別對應1.1中的a到d。

1.2 構型方案性能分析與對比

對以上四種構型方案進行了靜動態性能有限元分析，初步比較它們的性能優劣。為了保證比較的相對準確，幾何建模時各個構型方案的主筋板厚度都設為25mm，高度都設為50mm。方案一到四的質量分別為455kg、453.4kg、457kg、454.6kg。分別提取了四個構型方案靜態特性分析后位置4的節點位移，提取了模態分析的前5階固有頻率。

方案一的一階到五階的固有頻率分別為211.4、291、429.5、540.3、884.3；方案二的一階到五階的固有頻率分別為227.1、292.1、447.6、525.5、875.4；方案三的一階到五階的固有頻率分別為214.9、284.9、428.2、499.1、854.9；方案四的一階到五階的固有頻率分別為208.6、300.6、429.3、567、878.7。通過質量、靜態位移、模態固有頻率的比較來看，各個方案性能相差不是太大，但方案一和四的靜態性能要略優于方案二和三。四個構型方案將都暫且保留，進入下一階段的構型參數設計，即尺寸優化階段，以便選出靜動性能最好的設計方案。

2.床鞍主筋板構型設計參數尺寸優化

2.1設計參數尺寸優化

結構構型設計只是給出了主筋板大致的結構形式，但并未確定其各個設計參數的具體數值。設計參數的變化會在一定范圍內對支承件質量和性能產生較大影響。為進一步實現床鞍結構的輕量化，在主筋板構型確定可使用尺寸優化找到更為合理的主筋板構型設計參數。用ProE軟件對四種主筋板構型方案進行參數化建模，然后利用Workbench軟件對各構型方案的設汁參數進行尺寸優化。優化時以質量最小和剛度最大（位移最小）作為優化目標。本部分所做尺寸優化主要涉及床鞍主筋板部分的構型設計參數，為局部尺寸優化。圖1.1e是以構型方案一為例繪制的床鞍主筋板尺寸優化的優化參數示意圖。其余方案也采用相似的方法進行優化。

本次尺寸優化目標具體包括質量、床鞍總體位移，位置4位移（Y向和Z向和總體），優化時可根據需要選擇單項為優化目標，也可選擇多項進行組合。以下獲得的幾組尺寸優化結果基于多目標組合優化。

方案中方案一與方案二結構相似，其中側板厚度跨距P1尺寸范圍為360-480mm；外壁板厚度P2尺寸范圍為20-30mm；P3為距離；P4為角度；主筋板厚度P5尺寸范圍為15-30mm；主筋板P6的高度范圍為25-55mm。

優化后方案一到四的質量分別為426.2kg、420.4kg、419.1kg、411.6kg。

2.2尺寸方案性能分析與對比

對尺寸優化后得到的4種主筋板設計方案進行靜動態特性分析。提取了各方案4處節點位移如下表2-2所示。由于Z向位移相對較小，不便于觀察對比，圖中只繪出了Y向和總體位移曲線。通過對比發現：幾種方案的位移曲線幾近重合，但其變形都不大于原方案。

通過觀察發現：

（1）方案1的靜剛度最大（位移最?。?，剛質比也較大，但質量也最大；方案2和3剛度較小且剛質比較小，質量處于中間位置；方案4剛度和剛質比都較大且質量最小。

（2）各個方案的前兩階固有頻率較原方案都有所提高，整體抗振性有小幅提升。

2.3 結構改進設計方案

通過以上對比，結合支承件結構工藝性，可選取方案四作為床鞍主筋板結構輕量化設計的構型方案，選取方案4作為最終的改進設計方案。

結論

本文首先給出了四種床鞍主筋板結構構型方案并進行了性能分析和對比；對各構型方案進行了局部設計參數尺寸優化并得到了相應的尺寸設計方案，通過性能分析與對比選出了床鞍的輕量化改進設計方案。

參考文獻

[1]趙嶺，王婷，梁明，等.機床結構件輕量化設計的研究現狀與進展[J].機床與液壓，2012，40（15）： 145-147.