[發明專利]面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法

有效

• 申請號: 202011217237.7
• 申請日: 2020-11-04
• 公開（公告）號: CN112214856B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 李天箭;孫文輝;丁曉紅
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 王晶;徐俊

本發明涉及一種面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法，其步驟：1)確定機床整機結構設計空間，構建出需要拓撲的原始實體結構；2)以機床整機結構為研究對象，設置整機可設計優化區域和非設計優化域；3)以機床整機結構為研究對象，在各個受力面上添加載荷；4)對研究對象采用整機靜力學分析和整機動力學分析；5)依據靜力學分析結果進行拓撲優化模型構建與分析；6)對拓撲后模型重新進行幾何修復，使拓撲后的模型表面的網格均勻，以及在保留原有結構不變情況下表面更加勻稱；7)對模型進行細節處理，并轉化為實體模型，送至打印軟件進行添加支撐處理；8)機床整體拓撲優化后獲得整機模型。

技術領域

本發明涉及一種精密機床剛度優化設計方法，尤其是一種面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法。

背景技術

剛度是精密機床結構設計的重要目標，剛度的提高有助于提高機床加工效率、加工精度和加工工件表面光潔度。精密機床結構設計中剛度設計的核心問題是結構對載荷的高效傳遞與承擔。對單部件進行動靜剛度設計，可以改變部件結構提高整機剛度特性。但是剛度最好的單部件組和出的整體結構，并不等于性能最優的整體結構。因此，需要一種面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出一種面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法，該方法通過系統分析精密機床在加工空間最佳結構布置方案，確定精密機床整機結構的優化構型。

本發明的技術方案是：一種面向整體結構的精密機床剛度優化設計方法，包括以下步驟：

1)確定機床整機結構設計空間，構建出需要拓撲的原始實體結構，即拓撲前有限元模型；

2)以機床整機結構為研究對象，設置整機可設計優化區域和非設計優化域；

3)以機床整機結構為研究對象，在各個受力面上添加載荷；

4)對研究對象采用整機靜力學分析和整機動力學分析；

5)依據靜力學分析結果進行拓撲優化模型構建與分析,拓撲模型的重量與整體設計空間的重量比，依據一階固有頻率最大原則進行設置，獲取最大一階固有頻率的方法為在體積比20％～100％之間進行全域搜索，獲得全局最優解；

6)對拓撲后模型重新進行幾何修復，使拓撲后的模型表面的網格均勻，以及在保留原有結構不變情況下表面更加勻稱，確保模型增材制造不會因為模型個別曲面過于粗糙導致模型打印效果不佳；

7)對模型進行細節處理，并轉化為實體模型，送至打印軟件進行添加支撐處理；

8)機床整體拓撲優化后獲得整機模型。

進一步，所述機床整體結構：其分析將機床整體結構作為一個整體進行分析，而不是將機床結構肢解為若干部件。

進一步，所述整機靜力學分析：以機床原始模型為全實體結構，利用有限元軟件對模型進行靜力學分析與模態分析，采用六面體網格進行劃分得到多個單元與多個節點的整機有限元模型，再對各個受力面施加載荷與重力之后得出靜力學條件下的應力與變形圖；

進一步，所述整機動力學分析，包括以下分析：

a.模態分析

通過對整機進行模態分析得出其自身的各階固有頻率和振型；

b.諧響應分析

為反應在不同主軸轉速激勵下的動態性能變化，通過在主軸箱頭處分別在X,Y,Z三個方向施加一個諧激勵力，用來模擬機床的切削過程，激勵頻段為0～800HZ；

進一步，所述拓撲優化模型構建與分析，包括：

a.變密度法拓撲優化