基于Optistruct的数控滚齿机床身拓扑优化设计.pdf

基于 Op t i s t r u c t 的数控滚齿机床身拓扑优化设计 口胡世军 。 口邓洋 l - 2 口韩健 1 ,2 口张富 1 , 2 1 ． 兰州理工大学 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室 兰州 7 3 0 0 5 0 2 ． 兰州理工大学 机 电工程学院兰州7 3 0 0 5 0 摘要 床 身作为数控滚齿机的关键 部件之一 ，其结构性能好坏将 直接影 响整机的工作性能 。基 于 Hy p e r Wo r k s ／ Op d s t mc t 平 台并结合拓扑优化技术 ， 对床 身进行模态分析和结构改进设计。 分析结果显示， 在满足床 身工作性能要 求的条 件 下减 少了床身用材 并提 高了床身 固有频 率， 为床 身合理设计与改进提供 了参考 。 关键词 数控滚齿机床身Op t i s t r u c t 模态分析 拓扑优化 中图分类号 T P 3 9 1 ； T G 6 2 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 1 1 1 - 0 0 0 8 0 3 床 身 作 为 滚 齿 机 的 一 个 重 要 结 构 大 件 ，起 着 支 撑 工 件 和 主 轴 箱 、 尾 架 、 大 小 立 柱 等 关 键 零 部 件 的 作 用 。 因 此 ，它 的 动 态 性 能 将 直 接 影 响 到 机 床 的加 工 精 度 和 整 机 的使 用 寿 命 。 而 提 高 结 构 刚 度 是 改 善 结 构 性 能 的 有效 措施 ． 通 过对结 构 的 固有 频率 进行 控制 和调 整 ， 避 免 与 外 界 激 振 力 频 率 相 等 或 相 近 ，从 而 有 效 地 降 低 结 构 的 动 力 响 应 [ 。 拓 扑 优 化 技 术 在 概 念 设 计 阶段 能 够 激 发 设 计 人 员 的灵 感 ． 有 效 实 现 结 构 最 佳 功 能 和 最 小 成 本 的 结 合 ， 因 此 成 为 结 构 设 计 领 域 的 热 点 E 2 3 。Al t a i r公 司 的 Hy p e r W o r k s ／ Op t i s t r u c t 软 件 是 全 球 最 先 进 的 结 构 设 计 软 件 之 一 。本 文 基 于 Hy p e r W o r k s ／ Op t i s t r u c t 平 台 ， 对 数 控 滚 齿 机 床 身 进 行 了 模 态 分 析 ．使 用 相 对 密 度 法 对 其 进 行 了 拓 扑 优 化 ， 在 满 足 床 身 工 作 性 能 要 求 的 条 件 下 ， 减 少 床 身 的 使 用 材 料 并 提 高 了 床 身 固 有 频 率 。 1 床身有限元模 型的建立 通 过 P r o ／ E n g i n e e r软 件 建 立 床 身 的 三 维 数 字 模 型 床 身 与 导 轨 的 装 配 体 ，再 导 入 Hy p e r Me s h软 件 中 建 立 有 限元 模 型 。 由于 床 身 的 实 际 结 构 比较 复 杂 ， 因 此 对 于 明 显 不 会 影 响 床 身 整 体 刚 度 、 强 度 的 部 位 ， 如 倒 角 、 圆 角 、 螺 钉 孑 L 及 凸 台 等 予 以 简 化 。模 型 导 入 Hy p e r Me s h 后 为 了 避 免 模 型 小 特 征 的 抑 制 以 及 复 合 面 的 产 生 。 还 需 对 模 型 进 行 几 何 清 理 。 简 化 后 对 模 型 采 用 单 元 尺 寸 1 0 mm 的 四 面 单 元 对 集 合 模 型 进 行 网 格 自动 划 分 ，共 划 分 了 2 7 0 1 5 6个 单 元 和 5 8 5 7 5个 节 点 。床 身 材 料 为 HT 2 5 0， 弹 性 模 量 为 1 2 0 GP a ， 泊 松 比为 0 ． 2 8， 密 度 为 7 3 0 0 k g ／ m。 。 对 于 床 身 的 有 限 元 模 型 中 质 量 差 的 单 元 ， 使 用 Hy p e r Me s h中 网 格 质 量 检 查 功 能 ，对 所 有 单 元 的 长 宽 比 、 塌 陷 值 、 雅 可 比 值 等 特 征 进 行 检 查 ， 不 合 格 单 元 予 以 修 正 。 划 分 好 网 格 的床 身 有 限 元 模 型 如 图 1所 示 。 2 床 身模态分析 床 身 有 限元 的 动 态 分 析 基 础 是 模 态 分 析 ，用 于 确 定 床 身 结 构 的 固 有 频 率 和 振 型 。 模 态 分 析 反 映 了 结 构 本 体 的力 学 性 能 ， 与 载 荷 无 关 。一 般 来 说 ， 床 身 的 低 阶 频 率 和 振 型 对 床 身 的 动 态 特 性 影 响 较 大 。 应 用 Hy p e r Wo r k s ／ O p t i s t r u e t 模 态 分 析 模 块 ，采 用 L a n c z o s算 法 对 床 身 进 行 约 束 模 态 分 析 时 ，通 过 约 束 床 身 底 面 的 全 部 自 由度 ， 分 析 得 出床 身 前 5阶 自 由模 态 固 有 频 率 和 振 型 ， 并 在 后 处 理 器 Hy p e r Vi e w 中 查 看 结 果 如 表 l所 示 。 表 l 机床床 身前 5阶固有频率及振型 阶数 固有频率／ Hz 振型描述 l 4 6 6 ． 6 8 绕 轴弯曲 2 6 9 4 ．O 2 绕 l ， 轴扭转 3 7 4 4 ．7 9 在 y Z平 面内弯 曲 4 8 7 2 ．5 1 床身整体扭转 5 9 2 8 ．9 O 在 XY平面内弯曲 3 床身拓扑优化 收稿 日期 2 0 1 1 年 6月 3 ．1 拓 扑 优 化 原 理 2 0 1 1 ／ 1 1 机械制造4 9卷 第5 6 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 结 构 优 化 设 计 可 分 三 类 。 即 尺 寸 优 化 、 形 状 优 化 和 拓 扑 优 化 。 其 最 高 层 次 为 拓 扑 优 化 ， 主 要 思 想 是 将 寻 求 结 构 的 最 优 拓 扑 问 题 转 化 为 在 给 定 设 计 区域 内 寻 求 材 料 的最 优 分 布 问 题 ． 以 达 到 结 构 的 最 优 化 。 拓 扑 优 化 主 要 有 Ho mo g e n i z a t i o n 均质 化 和 De n s i t y 密度 法 方 法 ， 其 中 密 度 法 又 最 为 常 用 ， 也 是 本 文 所 采 用 的 优 化 算 法 ， 其基 本思 路是 使设 计 变量 为单 元 密度 Pq o连续 取值 ， 0≤p≤ 1 ， 以 p 0和 p 1分 别 表 示 没 有 材 料 和 存 在 材 料 。 为 了 抑 制 中 间 密 度 0 1 ； k为 引 入 惩 罚 因 子 后 计 算 所 得 的 刚 度 矩 阵 。 密 度 算 法 不 仅 简 单 易 于 程 序 实 现 ，大 量 实 例 也 表 明 它 是 一 种 很 有 效 的 方 法 ，在 商 业 拓 扑 优 化 软 件 中 得 到 了 广 泛 应 用 。 3 ． 2床 身拓 扑 优 化 模 型 在 优 化 过 程 中 ， 导 轨 不 参 与 优 化 ， 将 图 1中 设 计 区 域 即 床 身 作 为 优 化 区 域 ， 由此 建 立 以床 身 一 阶 固 有 频 率 最 大 为 目标 函数 、 以 床 身 的 单 元 密 度 为 设 计 变 量 、 以 床 身 体 积 为 约 束 函 数 的 床 身 拓 扑 优 化 数 学 模 型 ，如 下 所 示 求 ⋯ ⋯ M ax 一 2 l s ． t ．V ， ≤g i V r l ⋯． ， R 1 0≤ ≤ 1 1 ⋯． ， Ⅳ 式 中 为 一 阶 固 有 频 率 ； 在 i 单 元 子 域 内 拓 扑 变 量 为 一 常 数 ， 取 [ 0， 1 ] 中 的 连 续 值 ， 表 示 从 有 到 无 的 过 渡 状 态 ； 定 义 R1 个 集 合 ， 其 中 表 示 第 r号 约 束 对 应 的体积 ， _ ， 表 示第 r 号 约束 的体 积 上 限 ， R为定 义 的 体 积 约 束 总 数 ， 第 1 个 集 合 为 非 设 计 集 合 ， 可 以 把 影 响 到 结 构 动 静 态 特 性 的 空 间 质 量 分 布 都 放 在 这 个 集 合 内 ， 作 为 广 义 的 边 界 条 件 ； N 为 单 元 总 数 。 引 入 过 滤 函数 g x 是 为 了把 密 度 值 向 0和 1两 个 方 向集 中 。由式 2 得 到 的 i 单 元 体 积 V拓 扑 解 ” 等 效 为 单 元 的 有 效 密 度 ， 用 准 测 法 决 定 单 元 的 保 留 与 否 ， 给 定 密 度 的 阈 值 G． 具 体 实 现 如 下 式 f 1 g v “ G ’ { 3 【 0 g x ≤G 为 了 不 改 变 导 轨 的 外 形 ．把 导 轨 单 元 作 为 非 设 计 集 合 。 类 似 于 在 床 身 的 上 方 加 了 空 间 质 量 ， 可 看 作 广 义 的 边 界 条 件 。 3 ． 3床 身优 化 结 果 通 过 定 义 床 身 优 化 的 设 计 变 量 、 目标 函 数 、 约 束 条 机械制造4 9卷 第5 6 7 期 件 后 ， 在 Op t i s t u r c t 模 块 下 自动 进 行 优 化 。 其 优 化 结 果 显 示 经 过 3 0步 迭 代 后 得 到 的 床 身 拓 扑 优 化 密 度 分 布 云 图 及 结 果 图 分 别 如 图 2和 图 3所 示 。 由 图 2密 度 云 图 知 ， 深 色 部 位 是 低 密 度 单 元 ， 主 要 集 中 在 床 身 顶 部 和 前 后 ， 是 建 议 去 除 的 部 分 。 设 置 单 元 密 度 阈 值 G 为 0 ． 1 5后 ．从 图 3优 化 结 果 图 中 可 以 看 出 ． 床 身 的 低 密 度 单 元 大 多 被 掏 空 ． 这 是 由 于 拓 扑 优 化 中 密 度 法 中 阈 值 设 定 出 现 的 结 果 ，按 材 料 优 化 结 果 分 布 ， 即 密 度 小 于 阈值 的 单 元 会 显 示 无 材 料 ， 密 度 大 于 阈 值 的会 显 示 有 材 料 。 由 于 该 机 床 床 身 结 构 的 特 殊 性 ， 在 优 化 过 程 中 ． 还 必 须 考 虑 导 轨 的影 响 ． 因 此 在 去 除 材 料 的 过 程 中 ， 必 须 保 留 导 轨 和 立 柱 的 安 装 面 ， 即 床 身 的顶 部 不 能 被 掏 空 ， 必 须 保 留 一 定 的厚 度 。 从 优 化 结 果 图 中 可 以 看 到 床 身 内部 筋 板 为 低 密 度 区 ．因 此 在 对 床 身 进 行 二 次 优 化 设 计 时 ． 可 以考 虑 对 床 身 筋 板 结 构 的 改 进 来 提 升 床 身 的 整 体 结 构 性 能 。 4床身结构二次设计 4． 1 床 身 二 次 模 型 的 建 立 在 前 面 优 化 结 果 分 析 的 基 础 上 ，利 用 Hy p e r Me s h 后 处 理 的 OS S mo t h模 块 导 出 i g e s格 式 文 件 ． 考 虑 到 床 身 与 导 轨 的 装 配 关 系 及 床 身 的 易 加 工 性 ，改 变 床 身 顶 部 的 厚 度 ， 内 部 筋 板 采 用 开 孔 的 方 式 ， 床 身 的 前 后 也 各 自 开 有 四 个 孑 L 。 最 后 通 过 三 维 造 型 软 件 P r o ／ E n g i n e e r 二 次 设 计 得 到 修 改 后 的 床 身 优 化 模 型 如 图 4所 示 。 4 ． 2床 身优 化 前 后 模 态 对 比 将 优 化 后 的 床 身 与 导 轨 进 行 装 配 ．采 用 同 样 的 材 料 属 性 ， 约 束 条 件 的 设 置 。 利 用 O p t i s t u r c t 求 解 器 对 床 2 0 1 1 ／ 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 阻尼两级可调减振器对悬架减振效果的影响 口王新芳 口陈克 。 口佟雪峰 1 ． 沈 阳理工大学 汽车与交通学 院沈 阳 2 ． 中国北 方车辆研究所北京 1 0 0 0 7 2 口王亚军 口王幼兰 l 1 0 1 5 9 3 ． 东 风汽车有限公司 商用 车公 司质量保证部 湖北十堰4 4 2 0 0 1 摘要 阻尼可调减振器是汽车半主动悬架的关键部件， 对汽车悬架的减振效果有重要影响。建立悬架系统物理模型， 由悬架 系统 受力情况采用牛顿第二定律建立系统线性微分方程 ， 推导出悬架 系统的状态空间表达式 根据“ 天棚” 控制原理． 采 用 M T L A B 中的 S I MUL I NK模块分别对安装定阻尼和阻尼 两级可调减振 器的悬架系统在 随机路 面工况下进行仿真 ． 得 到汽车的加速度、 悬架动挠度和车轮相对动载。通过比较分析 出采用阻尼两级可调减振器对汽车 悬架 系统 的减振效果具有 明显的作用， 可提高汽车的行驶平顺性 ， 为设计开发 阻尼分级可调减振器和研究汽车半主动悬架提供 了重要依据 关键词 半主动悬架 可调阻尼减振器 振动加速度 性能仿真 中图分类号 T Hl 1 3 ． 1 ； U 4 6 3 ． 3 3 5 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 4 汽 车 在 行 驶 过 程 中 不 免 会 受 到 路 面 不 V -度 的 冲 击 ，这 会 使 汽 车 产 生 各 种 形 式 的 振 动 。传 统 的 定 阻 尼 减 振 器 在 结 构 参 数 设 定 后 其 阻 尼 将 无 法 随 路 况 的 改 变 进 行 对 应 的 调 整 ， 影 响 悬 架 系 统 的 减 振 效 果 。 阻 尼 两 级 收稿 日期 2 0 1 1 年 6月 身 进 行 自 由 模 态 分 析 ， 得 到 床 身 前 5阶 固 有 频 率 。 优 化 前 后 的 模 态 频 率 对 比 如 图 5所 示 。 从 图 5优 化 前 后 模 态 频 率 对 比 图 中可 以 看 出 ， 床 身 整 体 装 配 后 第1阶 固 有 模 态 频 率 比 原 来 提 高 了 画 2 0 1 1 ／ 1 1 可 调 减 振 器 通 过 调 节 节 流 口的 开 关 调 整 不 同 路 况 下 的 悬 挂 阻 尼 ， 能 够 最 大 限 度 的缓 和 车 身 的 冲 击 载 荷 、 衰 减 承 载 系 统 的振 动 ， 提 升 汽 车 的 行 驶 安 全 性 、 操 纵 稳 定 性 及 乘 坐 舒 适 性 ⋯。 近 年 来 对 减 振 器 的 分 析 和 研 究 大 多 采 用 了模 糊 控 制 、 自适 应 等 理 论 。 但 其 对 两 级 阻 尼 可 调 1 6 ％ ， 2至 3阶 固 有 频 率 略 微 有 所 提 高 ， 第 5阶 同 有 频 也 有 一 定 程 度 的 提 高 。 同 时 床 身 的 质 量 也 由 原 来 的 2 4 6 8 ． 2 6 k g变 为 2 41 8 ． 9 k g ， 减 少 了 4 9 36 k g 。 5 结论 运 用 Hy p e r W o r k s ／ Op t i s t r u c t 软 件 建 立 了数 控 滚 齿 机 床 身 有 限 元 模 型 ，运 用 密 度 法 对 床 身 进 行 了 拓 扑 优 化 。 计 算 结 果 表 明 ， 优 化 后 的床 身 仍 保 持 着 较 好 的 强 度 和 动 态 性 能 ， 床 身 的各 阶 频 率 都 有 提 高 ， 且 第 1阶 固 频 提 高 幅 度 最 大 ， 同 时 床 身 的 质 量 减 少 了 4 9 - 3 6 k g ， 节 约 了 材 料 ， 降 低 了 成 本 ， 床 身 的 结 构 也 趋 于 合 理 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张光炯 ， 张保成． 基于 Hy p e r Wo r k s 的柴油机油底 壳拓扑优 化设计 [ J ] ． 柴油机设计与制造 ， 2 0 1 0 1 1 8 2 1 ． [ 2 ] 刑立坤 ，孙丽葳． 基于 H y p e r Wo r k s ／ O p t i s t r u c t 的辐射制 冷 支撑结构拓扑优化设计[ J ] ．科学技术与工程 ， 2 0 1 0 1 1 28 0 32 8 06． [ 3 ] ． 阮和根 ， 李 莉敏 ， 朱红 萍 ， 等． 基于拓扑优化 的冷镦机 床身 设计 [ C ] ．A l t a i r 2 0 0 9 H y p e r Wo r k s 技术大会， 上海 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 郭 嫒美， 郭春星， 陈叶林． 外 圆磨 床床身结构 的拓扑优 化设 计 [ J ] ． 精密制造 与 自动化 ， 2 0 1 0 1 3 9 4 0 ． 编 辑 小前 机械制造4 9 卷 第5 6 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m