基于ANSYSWorkbench机床部件优化设计-.pdf

p p A U 。 e a t i A on o c f APP l C 仰／ c A M ／ c A P P 应 用 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h机床部件 优化设计 青海 华鼎重型机床 有限责任公司研究所 西宁8 1 0 1 0 0 夏健康 胡 晓梅 随着 国内航 天、航 空 、船舶 、风 电、军工 等行 业的发展，现代 数控机 床的切 削速度 越来越 高，加 ] - 精度要求越来越好 ，因此对机床的各个部件的静 、 动态特性 的要求越来越高。以往机床设 计主要采用 传统材料 力学简化计 算与经验设 计相结合 的方法 ， 由于过于保守 ，致使 产品设计 制造 成本过高 ，性能 难 以达到最佳。因此，为 了进一步提高我 国数控机 床设计制造水平 ，在国际市场 占有一席之地 ，我们 必须打破传统的设计手段，采用先进动态设计方法。 基于 C AD ／ C A E等现代设计方法发展 ，作为动态 分析重要手段 的试验模态分析技术 、计算机辅助丁 程技术、有限元分 析方法 以及仿 真技术有 机结合 ， 使得人们可以在设计 阶段对结构性能进行预测 ，在 此基础上进行优化设计。 1 ．优化设计原理 优化设计的基本原理是通过构建优化模型 ，运 用各种优化方法，通过 在满足设计要求条件迭代计 算，求得 目标函数的极值 ，得到最优化设计方案。 优化数学模型表示为 r mi n F F l ， 2 ， ⋯， I g g ， 2 ， ⋯， ， ， i l ， 2 ， ⋯， 【 X l ， 2 ， ⋯， 式中， F X为设计变量的目标函数 ； 为设计变量 ， “ J I 。 0 I I ⋯ “ ．一 ’ 0 I I I ‘ ’ I I ⋯’ _ | _ I I l _ l l 。 I I I I I 一 。 ‘ I b I _ l } ⋯ I l ‘ ’ I I _ l _ -⋯ l I “I I I I I ⋯⋯ _ l ． 合 ，特别是在曲轴 的设计 阶段 ，可以避免了试验研 究需要花费 的大量时间和物资消耗 ，提高了曲轴设 计准确性 ，为强化曲轴疲劳寿命提供了可靠的依据。 MW 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 2 4 7 8 ； 却 参 禹 冷 肛 g 为状态设计变量 ，设计变量为 自变量 ，优化结 果的取得 就是通过改 变设计变量 的数值来 实现 的， 对于每一个设计变量都有上下 限，用户必须规定 中的每个元素 1 ，2，⋯ ，n 的最大值 、最 小 值，它定义了设计变量 的变化范 同。状态 变量是约 束设计的数值 ，是设计变量 的函数 ，状态变量可能 有上下限，也 可能 只有单方 面的限制，即上下限或 只有下限。目标 函数是尽量小 的数 值，它必须是设 计变量的函数 。 2 ．优化设计的分析步骤 优化设计 的过程通 常需要参数 化建模 、后处理 求解 、优化参数评价 、优化循化 、设计变量状态修 正等步骤来完成 ，其优化流程如图 1 所示 。 图1 3 ．实例分析 床身优化分析 做优化设计 时，首先要选定 目标 函数。针对机 床结构动态特性进行最优化设计的 目标函数大致有 如下几项静刚度 、一 阶模态 、摈 弃包括在某一频 率范围内的共振频率。对于数控重型卧式机床而言， 主要 由床身 、床头箱 、尾座 、拖板 、框 式刀架等部 分组成。床身是机床 的基础 ，其动态性能关 系到整 个机床的工作性能。床身结构 的设计尺寸 和布局形 式，决定了其本身的各个动态特性 ，如刚度 、模 态 等。以下将 以床身作为优化实例 ，详 细介 绍部件 优 化过程。 1 参数化模 型建立 三维建模是进行数值计 算的关键前提，但 由于有限元分析 软件本 身建模 能 力较弱，难 以实现复杂三维 实体 建模。因此 ，利 用 参数驱动式软件 S o l i d e d g e V 2 0对机床床身进行前期 建模 ，然后将参数化模型导入 A N S Y S Wo r k b e n c h软 件，通过搜寻设计域筛选 出合适 的设计变量 ，对床 身进行多 目标优化 ，实现 目标函数的最优 。 首先 ，为 了方便 的参数化建模 ，需对床 身模 型 进行适当地简化处理 ，提高 网格 的划分质 量，节约 计算资源 ；对床身结构上 主要筋板 、较大孔洞进行 保留，若 干尺寸 较小 的倒角、圆角 、／ h f L 、螺纹等 小特征均忽略或简单地局部处理 ；其次，将床身宽 度 、高度 日、筋板厚度 S 、内部筋板高度 以及腹 板个数 Ⅳ作为 设计变 量，并将 床身静 刚度 变 形 量 、一阶模态以及重量作为优化 目标。具体模型建 立 ，以及参数化设计变量如 图 2所 示。设计变量 的 初始值以及变量的取值范围如表 1所示。 图2 表1 设计变量 初始值 变化范 围 L ／11 1 1 12 6 8 0 5 0 0～8 0 0 H／ mm 一1 3 0 0 1 1 7 O～1 4 3 0 s ／ mm 3 0 1 53 5 H． ／mm 2 0 0 1 5 02 5 0 』 、 r 5个 5～1 0个 2 参数敏感性分析 优化尺寸灵敏度分析是 通过一定 的数学方法和手段，计算 出主轴 的静动态 性能参数 随优化尺寸变化的灵敏度，从而选择 出对 静动态特性影响较大 的尺寸，并依据灵敏度值 的大 小和正负，对主轴进行优化设计。 p c p A l i 。 c a t i A on o c f P I ／ c A M ／ c A P P 应 用 基于 S i x S i g ma的判定原则 ，利用全局变量法来 确定哪些尺寸对床身 的性能有较大影响 ，以便完成 全局灵敏度分析。图 3中优化尺寸的灵敏度为正值 ， 表示当这个尺 寸增大时 ，目标 函数 的值会相应 的增 大。同样的，尺寸的灵敏度为负值 ，表示 当这个尺 寸减小时 ，目标函数的值会相应的减小 。 一 0 一 O O 一 0 0 一 O P 2 一 DS L - e ‘ P 5 - DS S N s H 1 J oo ⋯ H r o l 一 _ _ J 南 l L N H 1 Nl S H 1 冈1 8 1 1 O 8 8 8 8 变形量 重量 一阶频率 图3 参数灵敏度分析 床身变形量越小 ，导轨 的静刚度越大 ；一 阶模 态越高，床身的动态性能越好。由图2 参数灵敏度分 析图可以观察到，Ⅳ、s参数对变形量减小影响最大， 、Ⅳ、s参数对一阶模态增大影响最大 ，但 、Ⅳ、5 参数对质量增大也影 响比较 大，所 以需要选择 合适 、Ⅳ、s参数值。 3 参数值合理选择 以往床身结构尺寸的选 择 ，主要根据经验公式或采用类 比方法 进行初 步确 定 ，结构验证 只能等 到样机生产完毕后 ，才能对机 床的静动态性验证 。导致机床正式投产周期 比较长 ， 设计风险较大 ，无法对设计参数进行准确评定。随 着 A N S Y S 软 件功能 的不断革 新 ，现 已经可 以通 过 D e s i g n E x p l o r a t i o n中 “ 响应 曲线／ 面”命令 ，准确地 描述出设计变量与优化 目标 之间的关 系。以下将提 取影响床身主要设计变量 、Ⅳ、JS与变形量、一阶 模态之间的关系曲线图，如图4～图9所示。 通过敏感性分析 和响应 曲线有机结合 ，使 设计 人员可以方便 、快捷选择最优设计 变量 ，并可以通 过仿真模拟计算出机床在工作状态下静动态性能。 0 0 2 8 0 0 2 7 0 0 2 6 0 0 2 5 | 。 r { ． } ．户 1 2 O l 2 5 l 3 0 1 3 5 1 4 O DS _L 1 0 1 91 1 9 0 1 8 9 1 8 8 1 8 7 1 8 6 1 8 5 1 8 4 ， r ． ， ， 一 u 7 1 ． 2 0 1 ． 2 5 1 ．3 O 1 ． 3 5 1 ．4 0 P 2 一 DS _L 1 0 图4 对变形量影响曲线图图5 L对一阶模态影响曲线 参磊 冷 加 工 --- ； ． 嚣 7 9 rJ 件 e捌 W 口 撞 y a ，，， - - f1 p c p AD l i c a ／ c t i A on M， o c f AP P I c A D ／ c A M ／ c A P P 应 用 有限元分析在吊具设计中的应用 中国南车戚墅堰机车有 限公司 江苏常州2 1 3 0 1 1 谭晓丽 目前 ，在起重 吊装机械设计过程 中，T程设计 人员采用的设 计计算方法一般有两种 一是按照经 验公式确定构件的主要几何尺寸 ，然后根据构件几 何形状对构件进行 简化 ，按照弹性 曲梁理论进行验 算 ，简称经验算法 ；二是建立构件的三维实体模型， 使用有限元计算软件进行计算。 在工程设计实践 中，发现 以上两种算法存在诸 多弊病两种方法都是以最大计算应力不超过材料 的屈服极限 ，并有一定的安全系数储备为原则 ，这 样对于使用频率低的起重设备而言相对保守 ，自重 偏大；经验算法对设计计 算人员 的模 型简化能力要 求较高，模型简化的不当有可能导致危 险截 面被忽 略 ，而且由于危险截面 的不 明确性 ，导致验算较 为 繁琐；有限元算法 的结果受构件单元划分 的数量及 质量的影响较大 ，同时奇 异单元 、应力集 中的存在 对结果也有着较大影响 ，所以对计算结果正确性 的 判定较难。 吊具的传统设计方法多采用 以力学和数学 为基 础的半理论半经验设计法 、类 比法和直觉法等传统 设计方法，传统 的设计方法是在 已知丁况和负载 的 前提下依据理论经验及相关手册 完成强度 、刚度和 稳定性校核及机构尺寸的计算 ，而对于吊具的实际T 作性能在设计 阶段进行全面的 了解 比较 困难。而且 存在设计周期长 、反复多 、精度差 、成本高等缺点。 这种半理论半经验设计法 ，要从根本上提高专用 吊 具 的性能 ，对其进行优化 ，显然存在很大 的局限性 ， 。 I I } I l l I b n 。 ‘ } r ‘ “ I i - - “ { I i - ‘ ‘ 1 i i l - I “ I i l - I i - I ⋯ l I l I I i l - E l - I I _ -⋯I 1 4 l 一 } I I I -P I I - b n I I I I ⋯ l I I I 一” P q ⋯‘ ’ ’ _ l I 一。 ’ nl ⋯ ‘ l 1 i I I i I i i I I I I I I i b n I i b l l i b l I i i i i 1 0 0 2 7 0 0 2 6 0 0 2 5 I | 』 5 6 7 8 9 l 0 P 3 一 DS N 2 0 0 l 9 0 l 9 0 1 8 5 1 8 O ／ 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 P5 -DS S 图6 N对变形量影响曲线图图7 Ⅳ对一阶模态影响曲线 00 3 5 O 0 3 00 2 5 O O 2 ＼ ＼ 1、 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 P5 - DS S 2 0 0 1 9 5 1 9 O 1 8 5 1 8 O ／ ／ ／ l 5 2 0 2 5 3 O 3 5 P5 一 DS S 图8 S 对变形量影响曲线图图9 S 对一阶模态影响曲线 但 由于优化 目标较 多，所 以需 要有 主次之分 ， 以一阶模态主要优化 目标 ，其次是变形量 ，最低优 化目标为重量。进过系统 目标筛选 ，最终优先值 如 表 2所示。经对 比初始值和优选值分析结果 ，可 以 观察到床身的静态变形量略有降低 刚度略有增大 ， 8 0 参磊 冷 舡 一 阶频率模 态却得 到了大幅度的提高 ，而床身重量 相比初始值参数床身降低了9 0 0 k g 。 表 2 初始值 、优选值对 比关 系 H／ L s Hl ／ 变形 一阶 重量／ Ⅳ 量／ 模态／ mm mm mm mm k g mm Hz 初始值 6 8 0 l 3 0 0 3 0 2 0 0 5个 0 ． 0 2 5 1 6 2 5 3 9 2 优选值 6 0 HD l 3 0 0 2 3 2 0 0 8个 0 ． 0 2 4 l 9 2 4 4 9 2 5 ．结语 通过 A N S Y S Wo r k b e n c h的有限元计算及多 目标 优化设 计功能 ，对床身高低 、宽 窄 、筋 板壁厚 以及 布局间距进行合理优化 ，提高机 床动态性 能，更有 效地利用 了材料承载能力 ，降低 了生产成本和材料 消耗。所以，优化设计方 法对于提高产品设计水平 和质量 ，保证产 品性能 和寿命 ，缩短设 计周期 ，具 有重要的理论指导意义和T程实用价值。MW 收稿 日期2 0 1 3 1 2 1 1