磨床床身结构优化设计

　　在整个磨床的各个组成部分中,床身起着支撑和连接工作台、砂轮架等关键零部件的作用,并与整机性能有着密切关系。目前,国内的普通磨床基本依靠经验进行设计,设计的理论依据不足,使得磨床床身结构存在形式单一、结构复杂、耗材多、成本高等问题,因此进行床身轻量化设计研究十分必要。基于有限元分析的结构优化设计技术在机械装备结构设计中的应用,有助于减少开发过程中的设计反复,缩短开发周期,提高产品竞争力。目前结构优化设计技术在机械、航空航天、车辆工程等方面的应用越来越广泛,崔岸等以提高汽车车身的扭转刚度、降低车身骨架自重为目标,对车身结构进行优化分析的应用研究[1]。秦东晨等在考虑疲劳强度的条件下,完成了六面顶压机关键零部件的结构优化设计[2]。胡如夫等利用灵敏度分析方法,分析了对高精度内圆磨床动态特性影响灵敏的薄弱部件的筋板布局形式和筋板参数对动态性能的影响[3]。对于床身结构优化一般选取筋板的间距和壁厚作为设计变量,合理的筋板间距和壁厚可以在保证床身刚度的同时,有效地减小床身的重量。但当设计变量很多时,所需的有限元分析时间较长,对于床身等复杂结构,设计效率很低。下面以某磨床床身为研究对象,在保证导轨刚度的条件下,以降低床身自重为目标,通过两种不同的优化策略进行优化。第一种是整体优化,即将所有的设计变量一起参与迭代优化,第二种是分层优化,即对设计变量进行合理的分组,然后逐层优化。为了说明所提出方法的有效性,对比分析了优化前后床身结构的动静态机械性能。

　　1　磨床床身结构优化方法

　　1.1　参数化有限元模型

　　建立准确而可靠的结构有限元模型是一项极为重要的工作。为了提高设计与分析的柔性,需要建立参数化的简化模型。所谓参数化是指对于模型的一些重要的尺寸用参数来表示,这样可以在以后的设计中,通过调整参数值来修改和控制几何形状。设计参数应能充分体现设计思想,同时又能给设计者一定的自由度。进行床身参数化建模要用最少的参数来描述床身结构的全部主要特征。一方面参数不能太少,因为太少的参数留给设计者的优化自由度少,难以得到最优的结构;另一方面参数也不能太多,一来可能造成过多的约束,二来会增加设计的成本,因此必须对床身结构进行合理的简化。对于相同的有限元模型,施加同样的载荷,倒角大小对零件的变形影响不大,而对应力的影响较大,一些小的工艺孔对变形的影响也不大[4],因而在建模时简化了倒角及部分工艺孔等对分析结果影响不大的细节结构。床身底面的一些大的工艺孔,由于它们的大小形状与筋板的布置有关,所以在建模时这些工艺孔也被简化。其主要参数如表1所示。图1是研究的磨床床身简化的有限元模型,该模型选择壳单元模拟床身的外壁和筋板,选择梁单元模拟梁,共划分10976个节点和11356个单元。