关于某机床大件结构计算要点及实例分析

    0 引言

    由于机床精密、高速的特性，对机床大件结构的刚度、固有频率等性能指标，应根据实际情况，均有不同要求。机床大件起着支承、抵抗作用力变形的能力，对精度的保证有重要作用，机床大件固有频率、阻尼特性对机床的动态特性起着重要作用，因此，对抵抗变形、动态参数等指标综合考虑，满足刚度、动态性能及轻量化等性能要求，优化结构布局及内部筋板排列，研究筋板对变形/对固频的贡献大小，这对探讨结构本身的性能，对机床设计制造技术本身的研究是有意义的。随着计算机的发展，相关计算软件的快速开发，使得对结构探讨、自主创新变得更快捷。

    1 实例分析及说明

    1.1 模型简介

    某机床的立柱模型，模型2在模型1的基础上增加2条横筋(如图1、图2所示）。分析要点：①竖筋a对结构静刚度(受力/变形）的影响，对结构固频的影响；②横筋b对结构静刚度的影响，固频的影响。

    1.2 分析过程综述

    1.2.1 计算竖筋a对结构变形的影响，对固频的影响

    对模型1进行拓扑优化，受力加载在导轨的面上。

    由以上拓扑结果可知：竖筋a的存在对变形贡献不大。

    对模型1进行模态分析，计算固有频率，分三种情况讨论：①竖筋a厚度为30mm；②竖筋a厚度为20mm；③去掉竖筋a。通过比较总结，分析竖筋a对结构固有频率的影响。

    图5 不同模型方案，分析筋板a对固频的贡献

    计算固有频率：

    表1 不同方案模型，固频计算结果（单位：Hz)

    由分析结果总结可得：（1)结构含有竖筋a(厚30mm)与去掉竖筋a进行比较，从低阶频率为主，去掉竖筋一阶频率降低（幅度2.42Hz)，二阶、三阶、五阶略有提高，四阶、六阶降低，原因两点，①筋板的存在对结构动态刚度的改变，②去掉竖筋a，质量减轻900kg，对同种结构来讲，质量降低有利于提高固有频率。因此，通过以上两点分析，竖筋a对结构固有频率的提高有重要作用；（2)结构含有竖筋a(厚度30mm与厚度20mm)比较，由以上结果可知，相同结构，质量略有降低，固有频率略有提高。

    因此，综合拓扑优化及固频分析结果，可知，竖筋a对此种受力状态下结构变形没有多大贡献，但对固有频率的提局有重大影响。