[發明專利]一種立式加工中心機床箱體類支承件結構的建立方法

有效

• 申請號: 201310273545.5
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103336868A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 王德倫;馬雅麗;董惠敏;錢峰;孫守林;申會鵬;王智;丁尚;盛永明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

1.一種立式加工中心機床箱體類支承件結構的建立方法，是一種“概念-單元”的立式加工中心機床箱體類支承件結構建立方法，其特征在于以下步驟，

第一步，建立立式加工中心機床箱體類支承件物理模型

（1）建立支承件幾何實體結構：根據現有支承件二維圖紙，建立適于進行支承件拓撲優化的三維幾何模型，去除邊界倒角及次要的定位孔洞結構，去除高度小于20mm的凸臺；

（2）求解與等效支承件載荷約束：調用相應的切削力求解公式，求解出此工況下切削力FX,FY,FZ大小；將切削力FX,FY,FZ、切削位置X_F,Y_F,Z_F、支承零件質量m_i、重心參數X_Gi,Y_Gi,Z_Gi帶入力學平衡方程，求出支承件所受到的合力：

Fi=Σk=1nFi(k),]]>Mi=Σk=1nMi(k),]]>i為x，y，z，

其中F_i為等效到結合面中心處的某單向力，M_i為等效到結合面中心處的某單向轉矩，F_i(k)為結合面作用點處對應方向力，n為作用點數目，x，y，z為機床坐標系下三個方向；

調用受力平衡方程計算支承件的有限元分析載荷；依據支承件結合面的連接形式求解出不同結合面下的剛度參數，建立面向數控機床支承件的導軌、螺栓、絲杠等結合面的彈性約束模型；

（3）建立支承件物理模型：將支承件三維模型進入有限元分析，定義材料屬性，依據支承件特征尺寸合理進行有限元網格劃分；將上述步驟求解的支承件載荷結果與約束等效形式按照有限元模型里的建模方法與步驟，加載至有限元模型，形成支承件的物理模型；

第二步，構造立式加工中心機床箱體類支承件概念模型

（1）確定支承最佳傳力路線：在體積約束下，以結構多工況的加權靜態應變能最小為優化目標的結構優化數學模型表述如下：

minCW(X)=12Σwiui(X)TKui(X)subjecttoVi(X)/V0≤Δ0≤xk≤1,k=1,2,...,N]]>

式中：X為設計變量，表示單元密度，u(X)為節點位移矢量，K為結構總體剛度矩陣；C_w(X)為靜態應變能，w_i為每個載荷工況各自的加權系數，取值范圍在0.0～1.0之間；V_i(X)為優化后設計域有效體積，V₀為優化前初始設計域體積，Δ為體積約束分數，處于0～1之間；完成上述優化參數設置后調用優化求解器，迭代求解出支承件最佳材料分布路徑；

（2）產生支承件概念模型：

首先，對傳力路徑進行關鍵點提取；傳力路徑關鍵點即為支承件拓撲優化結果高材料密度上若干截面的外輪廓點集，是用來擬合傳力路徑的必需點，提取并記錄這些點的空間坐標位置；

其次，擬合高密度材料的曲線、曲面：根據上述關鍵點擬合出高材料密度上若干截面的外輪廓曲線，并用各個截面上的外輪廓點擬合出傳力路徑曲線，通過掃掠或其它一些處理方式利用這些曲線得到高材料密度的擬合曲面，進而形成傳力路徑的實體模型結構；

最后，對矢量化輸出結果進行規整化：考慮到支承件外觀特征，材料應規則的布置，通過人機交互方式建立起桁架式的支承件概念構型；

第三步，建立立式加工中心機床箱體類支承件結構

（1）支承件主體構型與尺度：主體結構包括主壁板和主筋板兩部分，主壁板建立是結合拓撲優化結果，綜合考慮支承件的裝配、連接、制造工藝，根據支承件不同的工作狀況和受載形式，確定支承件的主壁板構型；計算不同壁板尺度下支承件的性能，確定支承件主壁板厚度尺度；主筋板是支承件受載時的主傳力路徑，依據支承件概念模型，在主壁板上或壁板之間，增加筋板結構；計算不同筋板尺度下支承件的性能，確定經濟、實用的主筋板尺度；

（2）支承件結構單元構型與尺度：單元是用于改變支承件局部性能或者用于提高支承件制造工藝性的結構，單元有多種形式，如米字型、井字形、太陽型等，依據主筋板構型確定結構單元的填充區域；

通過建立的結構單元型譜，選擇不同載荷形式的結構單元，并進行單元結構的組合，形成支承件單元構型方案；調用支承件結構單元尺度與性能關系圖表與曲線，確定支承件單元尺度，初步形成支承件結構方案；不同結構單元類型的性能如表1所示：

表1：不同結構單元類型性能對比表

（3）設計支承件工藝造型：在支承件初步結構方案基礎之上，結合支承件的鑄造、加工、吊裝運輸工況，設計適合不同工序階段的工藝結構。