基于有限元的车床车身结构优化
2016-12-13 来源：大庆油田装备制造集团抽油机公司配件厂 作者：郝军才
摘要：分析了基于有Ftt,L的车床车身结构优化，以供参考和借鉴。
关键词：有限元；车床车身；结构；优化
优化设计是一门新兴的科学，同时它也是一项非常重要的新型技术，在工程设计的很多方面都得到了非常好的应用。在工程产品设计的过程中都是需要按照没计的基本要求和标准来制定和选择最好的方案，从而获得最好的设计效果。优化设计就是在这一过程中发展起来的，在应用中也．充分的标明优化设计能够为复杂问题的解决提供非常好的条件。车床车身的优化谢十是菲常重要的—个内容，设计的质量会直接影响到车床自身的性能发挥，对生产也会产生非常重大的影响，在这样的情况下，我们一定要采取有效的措施对其加以控制，只有这样，才能更好的实现其经济效益和社会效益，因此，在实际的工作中，我们在有限元的基础上研究车床车身结构优化也有着十分积极的现实意义。
1.在保证原有结构的基础上减薄板厚和肋板的截面形状
1.1减薄板厚。在本车床车身结构设计中，根据有限元分折的结果，对车床结构中能够做出一定调整的结构进行了适当的结构优化。具体的模型减重步骤如下。
首先是在确保原来结构不受影响的情况下，减少床尾板的厚度。将这一部分厚度减到10ram，一共减少了3_2kg。气促是减少床身中间的三拱厚度，住而已位置原来的尺寸是13mm，现在是10mm，可以减少8kg的重量。再次是将原来床头上的板厚由1 4ram变为1 0ram，可以减少19kg的重量。ilL*t-还要减少床鞍后侧平面的厚度，将厚度降低4mm，其重量会减少14kg：最后一点是减少了以上四个部分的尺寸，就会使得结构自身的刚度大大下降，也就是说位移量会明显的增加，为了对位移量进行有效的控制，我们可以在实际的工作中借助不断的增大板肋的宽度来对变形量予以有效的控制，需要增大加强肋板的宽度，结构整体的重量会增加4．1 kg。
1．2床身结构优化后的计算。在经过了以上几个步骤的处理之后，模型的总重达到了509kg，和原模型相比，其重量减少了31．5kg，之后对上述状况下，最大位移量和同有频率进行计算。在经过计算和比较之后，发现以上两个参数的变化都不是很大，所以这种方案在理论上具有可行性。
2.改变板厚和肋板的截面形状的同时在后侧主平面上开孔
首先是在改变板厚和肋板截面积的时溶蚀也要保证设计的合理性，也就是前五个步骤全部相同，对第六个步骤进行适当的调整，在本工程的设计中就是不改变薄床鞍后侧主平面的厚度，而是在后侧主平面上进行开孔处理。其次是在计算之后，总重量减少了32kg。最后是方案二的固有频率有了非常明显的变化。
3.去掉床身中间的三个拱形支撑重新布置肋板
首先，好的对床身整体结构对床身刚度和固有频率的基本影响，在本方案当中首先不考虑床身中间的支撑结构，之后谁用全局灵敏度分析以及平面结构拓扑优化的方式对床身中部的支撑结构进行适当的调整。其次，具体的模型减重步骤是，去除床身中间三拱形支撑和周围的肋板。
4.床身主侧板上加强筋结构的拓扑优化设计
在优化设计的过程中．设计变量的取值是要不断改变的，这样就可以达到目标雨数当中的最小值，但是设计变量的变化和取值一定要受到一些因素的限制和约束。比如说零件设计中的强度、网4度和失稳条件等都要满足设计的基本要求，在设计变量的时候，设计的取值范围也应该有所限制。
因此我们在设计中对与之相关的各种参数取值进行研究也有着十分积极的作用。
拓扑优化的主要目标就是一套找到承受但何在或者是多荷载的最好的配置方案，这种方案在拓扑优化设计中应该采用最大刚度设计，和传统优化设计方法有着j#常明显的不同，拓扑优化在实际的操作中不需要对参数和优化变量予以定义。目标函数都是先前就已经设定好的，用户只要根据特定的参数有效的措施对其i勘口以处理。
5.横粱的灵敏度分析
5．1横粱的结构设计。1)为了便于排屑和横向力传递，采用相互平行的横梁作为连接的析架。2)为了减重需要对于横梁的尺寸要严格进行计算，力求在尽可能小的尺寸范围内得到较大的刚度。这里采用全局灵敏度计算对5个横梁的宽度和高度进行汁算。3)在设计中，度大于0．Im以后床身的最大位移变化趋势不大，因此横梁高度选定0．1m。
5．2床身结构改型后的计算。1)通过以上方式确定了横梁的宽度和高度，经计算5根横梁总重32kg，比原始的三个拱加两隔板总重量56kg减少了24k兰。至此床身的基本尺寸己经确定，修改模型后得到了该方案的最终模型，经过Pro／E模型分析，得到该模型的重量是482．9kg与原始模型540．5kg相比减少了33．4kg。同样按照前面原始模型的加载和固定约束方式进行计算。计算结果：最大位移84．03微米出现在大山中部，刚度提高近lo微米。2)对该模型进行模态分析，结果为一阶固有频率185Hz，比原始降低了30Hz，但是通过观察一阶振型可以看出，共振位移最大点出现在床身下部，而不是原始的大山中部。
6.床身结构优化的最终设计方案
6．1横梁结构的优化设计。对车床床身的铸造工艺进行分析之后，认为应该将板减到10ram，铸造和工艺方面都是不能吏现的，而方案三是最为理想的方式，其工艺比较合理，在铸造方面也没有任何问题，为了达到减重的目的，前后两侧板向上提升40ram。其次为了可以更好的减少两侧板的厚度差，可以将中间量做成T型，这种方法可以十分有效的解决板厚差异过大的问题。
6．2依据实际优化床身结构。1)为铸造方便，需要添加圆角，添加圆角后结构与尺寸：考虑到圆角的大小不同，所加圆角位置也有差异，所以可以分隋况进行计算来验证。在T字型情况下．T字型处无圆角，而横梁与两侧板间添加圆角，圆角大小不同时，对应的减重情况。若存T字型处添加圆角R15，横梁与两侧板间也有圆角，且圆角大小不同时，对应的减重情况。2)依据有限元计算结果可以发现，床头受到的力比较小，床身的变形主要在与导轨接触的部分，床头承受的力比较小，不是主要的变形区域。基于这种分析，床头前隔板凹凸处可以开孔。
6．3床身结构优化最终设计方案。经过有限元分析得知：床身的最大位移量是88．41微米．比原始最大位移95A09微米小。但是一阶固有频率为213．72Hz，比原始一阶固有频率为219．76Hz小。固有频率有所降低，为提高固有频率，经过计算发现，床尾竖隔板上开的孔能使固有频率严重降低，在该处开孔仅减少2A6kg，为提高整体的固有频率，决定在该处不开孔。
7.结论
该结构设计方案经大连机床集团论证，并且整机装配后做了车床切削性能试验，经过反复试验，达到使用性能要求。经过对车床的动态性能试验，试验结果与有限元计算分析的结果相吻合。实验表明机床的刚度、强度和固有频率方面达到使用要求。
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