[發(fā)明專利]激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310043299.4
• 申請日: 2013-02-02
• 公開（公告）號: CN103106307A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬虹;肖俊君;范國成;陳根余;陳燚;高云峰
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市大族激光科技股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 何平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)床設(shè)計技術(shù)，特別是涉及一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計方法。

背景技術(shù)

在一定動態(tài)力的作用下，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能越好，其抗振能力越好，產(chǎn)生的振幅越小，加工精度越高。在高速激光切割機(jī)中，橫梁承擔(dān)切割裝置的重量，且僅由兩端支撐。切割裝置完全位于橫梁懸空區(qū)間內(nèi)。如果橫梁動態(tài)性能較差，橫梁或切割裝置在做加減、速運(yùn)動時，切割頭容易產(chǎn)生較大的位移偏差。若橫梁的固有頻率與振源頻率接近，甚至可能出現(xiàn)共振的情況。

在高速激光切割機(jī)中，橫梁所受外力的激勵形式以自由振動和受迫振動為主。對于自由振動，結(jié)構(gòu)的固有頻率越高，阻尼越大，則出現(xiàn)振動時最大振幅越小，振動衰減越快，動態(tài)性能越好。對于受迫振動，激勵頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率越接近，結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能越小。因此，在橫梁設(shè)計時應(yīng)在避開激勵頻率前提下，盡量提高自身的固有頻率。由于固有頻率是由結(jié)構(gòu)本身的材料屬性和質(zhì)量分布決定的，故一般通過改進(jìn)橫梁結(jié)構(gòu)提高固有頻率，以達(dá)到提高其動態(tài)性能的目的。

傳統(tǒng)的橫梁設(shè)計方法主要依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)完成，通常需要反復(fù)的試制及比對實(shí)際效果進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)。隨著有限元方法逐漸應(yīng)用到工程設(shè)計中，橫梁結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)可以用有限元方法進(jìn)行計算和評價，橫梁的反復(fù)試制和改進(jìn)工作逐漸地替換為有限元模型的反復(fù)計算和設(shè)計模型改進(jìn)工作。但是，橫梁的參數(shù)仍需要設(shè)計人員多次測試改并對模型進(jìn)行修改和試算，且橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化程度依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)。因此，傳統(tǒng)的橫梁設(shè)計周期較長，從而使得橫梁設(shè)計效率低。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要提供一種可有效提高橫梁設(shè)計效率的激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計方法。

一種激光切割機(jī)的橫梁設(shè)計方法，包括以下步驟：

將橫梁簡化為多個結(jié)構(gòu)元素，所述結(jié)構(gòu)元素包括多個結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)元素建立所述橫梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型；

根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型；

依次將所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計變量；

利用有限元分析軟件對所述設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解。

在其中一個實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)元素包括外框及回型筋，所述回型筋收容于所述外框內(nèi)并與所述外框的內(nèi)壁抵接，以支撐所述外框。

在其中一個實(shí)施例中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括、外框長度、外框?qū)挾取⑼饪蚋叨取⑼饪虮诤瘛⒒匦徒畹暮穸取⒒匦徒罡叨燃盎匦徒顐€數(shù)。

在其中一個實(shí)施例中，所述根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)化的幾何模型建立模態(tài)分析有限元模型的步驟為：

設(shè)置進(jìn)行模態(tài)分析的前處理?xiàng)l件參數(shù)，所述前處理?xiàng)l件參數(shù)包括材料屬性、網(wǎng)格劃分及固定邊界條件的參數(shù)；

根據(jù)所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的初始值進(jìn)行初次模態(tài)計算，并設(shè)置所述橫梁的固有頻率參數(shù)，所述固有頻率參數(shù)包括第一階頻率、第二階頻率及第三階頻率。

在其中一個實(shí)施例中，所述依次將所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果從所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中選取設(shè)計變量的步驟為：

根據(jù)對所述橫梁的實(shí)際需求設(shè)置所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計范圍；

依次將所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律；

根據(jù)上述變化規(guī)律，選取對所述固有頻率參數(shù)的影響超過預(yù)設(shè)范圍的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計變量。

在其中一個實(shí)施例中，所述依次將所述多個結(jié)構(gòu)參數(shù)中的單個結(jié)構(gòu)參數(shù)單獨(dú)作為變量進(jìn)行模態(tài)分析，得到所述固有頻率參數(shù)隨所述變量在設(shè)計范圍內(nèi)變化的變化規(guī)律的步驟為：

依次僅改變所述橫梁的外框?qū)挾取⑼饪蚋叨取⑼饪虮诤瘛⒒匦徒畹暮穸取⒒匦徒罡叨燃盎匦徒顐€數(shù)，并根據(jù)所述固有頻率參數(shù)的變化得到所述變化規(guī)律，其中，所述外框?qū)挾取⑼饪蚋叨取⑼饪虮诤瘛⒒匦徒罡叨葘λ龉逃蓄l率參數(shù)的影響超過預(yù)設(shè)范圍，回型筋的厚度及回型筋個數(shù)對所述固有頻率參數(shù)的影響未超過預(yù)設(shè)范圍。

在其中一個實(shí)施例中，所述利用有限元分析軟件對所述設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化，得到所述結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)解的步驟為：

將所述橫梁的質(zhì)量設(shè)定為狀態(tài)變量，并設(shè)置所述設(shè)計變量、所述狀態(tài)變量的約束范圍及目標(biāo)函數(shù)；

進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計變量的最優(yōu)解。

在其中一個實(shí)施例中，所述進(jìn)行有限元分析循環(huán)，得到所述設(shè)計變量的最優(yōu)解的步驟為：