[發明專利]一種機床螺栓聯接結構的優化方法

在審

• 申請號: 201711290999.8
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN108009365A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發明（設計）人: 馬雅麗;張霄;王德倫;張凱;吳煜
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種機床螺栓聯接結構的優化方法，其特征在于，步驟如下：

第1步，評價指標確定

對于機床，從靜動態兩方面對其性能進行評價：

(1)機床的靜態性能通過精度敏感地方的實際工作位置和理想工作位置的偏差量來衡量，主軸箱靜態性能通過其軸線的偏差量來衡量，立柱和床身通過導軌的偏差量來衡量；

(2)機床動態性能由其低階固有頻率來衡量；

第2步，螺栓布置區域優化

螺栓布置區域的優化是通過拓撲方法對建立的優化模型進行求解實現的；優化模型包括三維模型﹑工況載荷﹑約束等效處理和優化區域設置；對于三維模型，去掉尺寸較小的凸臺和孔結構，以便順利完成網格劃分；由于機床在實際工作時工況比較復雜，為了綜合考慮各種工況的影響，在載荷計算和施加時，選取典型和極限兩類工況；約束等效處理的合理性直接影響最終的拓撲結果，處理的原則是與機床實際工作狀態相同；螺栓聯接結構拓撲優化時，將螺栓聯接處作為拓撲的優化域，其他則視為非優化域；求解后即得到螺栓布置的最優區域；

第3步，螺栓聯接參數優化

將螺栓間距作為優化變量，螺栓聯接強度和扳手空間作為約束，并構造優化變量與靜動態評價指標間的響應面模型，對其求解即得到螺栓聯接的最優參數；

(1)優化變量

綜合考慮螺栓聯接面的尺寸﹑扳手空間以及拓撲優化的結果，確定優化變量的范圍；

(2)優化約束

螺栓設計時，需要考慮螺栓布置的受力均勻性且滿足強度條件，螺栓強度條件為：

1.3 F m a x A c ≤ [ σ ] = σ s [ S ] ]]>

其中，Fmax是螺栓受到的最大拉力；Ac是螺栓危險截面面積；σs是螺栓屈服強度；[S]是許用安全系數；

螺栓間距確定時，需考慮扳手空間；根據相關資料，擬合出螺栓間距與螺栓直徑d的關系：

Δ≥2.731·d+15.23

對于緊固件為內六角螺栓的聯接結構，以Rotscher的螺栓壓力錐模型為基礎，考慮壓力錐大徑不重疊為螺栓間距的約束條件；若采用30°壓力錐半頂角，當兩被聯接件厚度均為40mm時，壓力錐大徑的計算公式為：

Δ≥1.5·d+40·tan30°

(3)優化目標函數

本方法選取的優化目標函數為二階響應面模型，n個優化變量的二階響應面模型為：

y ( X ) = α 0 + Σ i = 1 n α i x i + Σ i = 1 n α i i x i 2 + Σ i = 2 n Σ j = 1 i - 1 α i j x i x j ]]>

其中，X＝(x1,x2,…,xn)是優化變量xi組成的空間；α0αiαii和αij是未知系數；

第4步，螺栓聯接結構尺寸優化

本方法采用內嵌式結構，當采用內嵌式結構時，螺栓之間的加強筋會形成壁籠結構；將壁籠結構尺寸大小和筋板壁厚作為優化變量，聯接面外形尺寸和扳手空間為約束，建立性能評價指標與變量間的響應面模型，對優化模型求解，即確定螺栓聯接結構。