文档介绍：Design and Research
设计与研究
机床床身结构的有限元分析与优化*
倪晓宇易红汤文成倪中华
(东南大学机械工程系 204学科组, 江苏南京 210096)
摘要: 利用有限元法对机床床身进行静、动态分析, 并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约
束和刚度约束的拓扑优化, 为 ESO 方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。
关键词: 机床床身有限元渐进结构优化
F inite E lement Analys is and Optmiization ofM achine Tool Body
N I X iaoyu, Y I H ong, TANG W encheng, N I Zhonghua
(M echan ica lEng ineering , SoutheastUn iversity, N an jing 210096, CHN )
Abstract: U sing finite e lementm ethod to ana lysis the structure static and dynam ic characteristic of m achine too l
body. And the ESO m ethod w as app lied to optimize the body s' topo logy based on its base- frequency
and stiffiness constrain. ESO m ethod is useful in optimization ofm ach ine too ls'ponen ts.
K eywords: M achine Tool Body; Finite E lemen;t ESO
机床床身是机床的重要基础件, 它的动态特性和钢板焊接或铸造结构为基本形式, 因排屑的需要, 床身
静态特性直接影响机床的加工精度及精度稳定性。随是不封闭的, 由中间筋板连接前后壁, 这同时也增加机
着计算机辅助工程( CAE )高速发展, 各种优化算法的床床身的强度。为了适应有限元计算, 必须将其简化
发展和完善, 对提高机床结构设计效率以及对机床加处理, 略去许多不影响床身刚度的细微结构(如小倒
工精度的影响十分显著。在机床床身结构的设计中, 角、小圆弧、小凸台等)。简化后的床身结构, 如图 1
人们总是努力在满足强度和刚度的条件下尽可能地减所示。将床身结构归纳成 3 种壁厚的简化几何体, 设
轻重量, 进行必要的拓扑优化。然而床身结构的动态定机床床身的前后壁板厚为 19 mm, 筋板厚为 16 mm,
特性又是影响机床产品性能的关键因素之一, 低阶模导轨宽 50 mm, 高 88 mm。
态特性基本决定了产品的动态性能。因此在床身结构
的拓扑优化过程中也需考虑频率方面的约束。本文通
过对机床床身进行静刚度分析、模态分析, 并利用渐进
结构优化法[ 1] ( Evo lutionary Structura lOptimization
ESO)对机床床身进行基于频率和刚度约束的拓扑优
化, 即从满足频率约束以及刚度约束的结构中系统地
删除低效材料来获得结构的