基于HyperMesh的立式加工中心结构拓扑优化

　　随着机床向高精度、高表面质量和高效率方向发展,要提高机床的加工性能,需要研究机床的静刚度和动态特性。复杂机械机构系统的动态设计,国内常采用人—机交互的方式,对机构系统进行动力学建模和动态特性分析,根据设计者的要求进行动力学修改,然后在计算机上进行再分析,经多次反复,直到所设计的结构动态性能满足要求,其优化效果的好坏往往取决于设计者的经验。而国外已经采用了拓扑优化等较为先进的优化方法[1]。

　　本文利用拓扑优化的方式对XH786A立式加工中心薄弱环节立柱进行优化设计,得到较为合理的优化结果,为后续的详细的设计提供理论依据。

　　HyperMesh软件是美国Altair公司的产品,是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包,也是一个创新、开放的企业级CAE平台,它集成了设计与分析所需的各种工具,具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在CAE领域,HyperMesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。其中,优化模块Alta-irOptiStruct是一个有限元结构分析和优化软件,用于进行概念设计和精细设计。OptiStruct具有强大的功能,可用于结构设计和优化,通过拓扑学、形貌学、形状和尺寸优化技术,使结构的质量达到最小,而结构的性能达到最高[2-4]。

　　1　整机建模及有限元分析

　　XH786A立式加工中心是中型三轴联动的数控铣床,主轴最高转速可达到12000r/min,最快进给速度达70m/min,具有加工精度高、效率高等优点。但机床的结构通过经验、类比、静态的传统设计方法设计出的,不仅结构笨重,而且机床设计周期长,制造成本高,更新换代慢,因此,有很多地方需要改进。

　　(1)建立机床整机的CAD模型该机床由主轴箱、横拖板、立柱、床身等六大零部件组成。机床床身用8个地脚螺钉和地基相连接。立柱和床身通过螺栓相连接,如图1所示。

　　(2)原机床动力学分析将整机经过适当的简化,导入分析软件ANSYS中,得到有限元模型。床身因为用地脚螺钉和地基相连接,所以给床身底面加全约束。对结构的有限元模型进行模态分析,可以得到振动系统的固有频率(Natural frequency)和振型(Vi-bration shape)。机床结构是个连续体,质量和弹性都是连续分布的,所以应具有无穷多个自由度,也就是无穷多阶模态。但是该机床的设计最高工作转速为10000r/min,因此作用在机床上的激励力频率已远高于可能出现的激振力的频率,一般不可能发生共振,对于加工质量的影响不大。所以只需研究机床的低阶模态。对原机床整机的有限元模型进行模态分析,得系统前3阶固有频率和振型。其中能明显表现出机床动态特性的是第一、二、三阶振型[5]。第一、二、三阶振型分别是立柱的前后俯仰、左右摇晃和扭转振动。拖板和主轴箱作为刚体随立柱振动,这几阶频率的大小主要取决于立柱的X, Y向和立柱的抗扭转刚度,拖板和主轴箱的质量对固有频率值也有一定的影响。