[發(fā)明專利]一種復(fù)合材料機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810233035.8
• 申請(qǐng)日: 2018-03-21
• 公開（公告）號(hào): CN108416158A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳文亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇龍勝機(jī)床制造有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種復(fù)合材料機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化以及機(jī)床床身筋板厚度及高度的多目標(biāo)優(yōu)化；

所述機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化包括以下步驟：

a1)在三維軟件中根據(jù)已有的床身模型或者機(jī)床床身的二維工程圖繪制機(jī)床床身的三維CAD模型，再將所述機(jī)床床身的三維CAD模型導(dǎo)入到拓?fù)鋬?yōu)化軟件中，然后在拓?fù)鋬?yōu)化軟件中將所述機(jī)床床身的三維CAD模型分為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域及非拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域；

a2)對(duì)所述機(jī)床床身的三維CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，并根據(jù)機(jī)床床身的材料設(shè)置有限元模型的材料屬性，再根據(jù)機(jī)床床身的安裝位置在有限元模型的相應(yīng)位置施加自由度約束，然后根據(jù)機(jī)床工作時(shí)各部件之間的相互作用載荷確定機(jī)床床身承受的載荷位置、大小及方向，并將機(jī)床床身承受的載荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；設(shè)置制造工藝參數(shù)及拓?fù)鋬?yōu)化響應(yīng)的約束，并定義目標(biāo)函數(shù)，再根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對(duì)有限元模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化求解，然后根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化求解的結(jié)果去除有限元模型中的偽密度材料，獲得滿足目標(biāo)函數(shù)及約束的機(jī)床床身內(nèi)部最優(yōu)材料分布的概念模型；

所述機(jī)床床身筋板厚度及高度的多目標(biāo)優(yōu)化包括以下步驟：

b1)根據(jù)步驟a2)得到的概念模型利用有限元軟件的腳本語(yǔ)言建立機(jī)床床身的參數(shù)化有限元模型，所述參數(shù)化有限元模型內(nèi)的參數(shù)變量包括床身筋板厚度和床身筋板高度；

b2)根據(jù)床身材料設(shè)定參數(shù)化有限元模型的材料屬性，并根據(jù)機(jī)床床身的實(shí)際安裝位置，在參數(shù)化有限元模型相應(yīng)的位置施加自由度約束，然后根據(jù)機(jī)床工作時(shí)各部件之間相互作用載荷確定機(jī)床床身承受的載荷位置、大小和方向，然后將所述機(jī)床床身承受的載荷位置、大小及方向施加到參數(shù)化有限元模型上；

b3)根據(jù)參數(shù)變量的范圍及個(gè)數(shù)在保證樣本點(diǎn)均勻分布的前提下設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)，然后設(shè)定質(zhì)量、應(yīng)變能及最大變形為多目標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)定床身上部的兩側(cè)導(dǎo)軌最大變形差為約束函數(shù)，在參數(shù)化有限元模型中加入目標(biāo)函數(shù)值及約束函數(shù)值；

b4)通過有限元軟件對(duì)參數(shù)化有限元模型在各樣本點(diǎn)處進(jìn)行分析，從而提取各樣本點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值及約束函數(shù)值，然后根據(jù)各樣本點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值及約束函數(shù)值采用代理模型技術(shù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的代理模型，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的代理模型使用多目標(biāo)優(yōu)化問題算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，得優(yōu)化解集，用戶從優(yōu)化解集選取所需的機(jī)床床身筋板厚度及高度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟a2)得到機(jī)床床身內(nèi)部最優(yōu)材料分布的概念模型為：

min:C(x)＝U T KU＝Σe＝1N(x e)pueTkoues.t.M(x)Mo≤f Di sp≤sσ≤σ0 0≤Xmin≤x e≤X max

其中，C(x)是結(jié)構(gòu)應(yīng)變能，是拓?fù)鋬?yōu)化前后機(jī)床內(nèi)部的質(zhì)量比；f是允許的最大拓?fù)鋬?yōu)化前后機(jī)床內(nèi)部的質(zhì)量比值，Disp是最大位移值，s是允許的最大位移值，σ是應(yīng)力值，σ0是允許的應(yīng)力值，xe是設(shè)計(jì)變量，Xmin是設(shè)計(jì)變量允許的最小值，Xmax是設(shè)計(jì)變量允許的最大值。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟b2)中根據(jù)機(jī)床工作時(shí)各部件之間相互作用載荷確定機(jī)床床身承受的載荷位置、大小和方向的具體步驟為：根據(jù)機(jī)床工作時(shí)各部件之間的相互作用載荷，再根據(jù)各部件之間的相互作用載荷的傳遞關(guān)系確定機(jī)床床身承受的載荷位置、大小和方向，所述機(jī)床工作時(shí)各部件之間相互作用載荷包括重力、切削力、夾緊力、沖擊力和熱載荷，所述重力為機(jī)床床身承受的工件、回轉(zhuǎn)主軸、頂尖立柱、立柱頂尖懸臂及刀具箱的重力。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)床床身內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述優(yōu)化解集為若干組筋板厚度及高度值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量、應(yīng)變能及最大變形的值。