基于有限元分析理論的滑座輕量化分析研究

王信 王用 伍妮艷

摘 要：隨著計算機分析軟件和硬件的快速發(fā)展，優(yōu)化分析在機床行業(yè)中應(yīng)充分應(yīng)用。對機床大件的重量和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，研究大件壁厚，筋板布局、厚度對機床快速進給、結(jié)構(gòu)剛度、動態(tài)性能的影響。有目的性的選擇合適的參數(shù)，這對提高機床性能和自主創(chuàng)新有重要意義。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化分析;滑座;筋板布局;剛度

1 引言

目前機床行業(yè)趨向于高精密、高速、重大方向發(fā)展?；剞D(zhuǎn)工作臺的滑座是機床的重要功能大件，由于機床高精密、高速、重大等設(shè)計要求，直接影響機床大件結(jié)構(gòu)的剛度、固有頻率等性能指標。滑座主要承受工件的靜載荷及機床加工時所產(chǎn)生的切削負載，滑座的靜動態(tài)特性直接影響其使用壽命和機床的加工精度。因此滑座必須有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和良好的結(jié)構(gòu)特性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局及內(nèi)部筋板排列，研究筋板對變形、重量的貢獻大小，明確結(jié)構(gòu)性能和變化因素，盡可能輕的質(zhì)量和盡可能簡化的結(jié)構(gòu)，在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上盡量降低成本。這對探討結(jié)構(gòu)本身的性能，對機床設(shè)計制造技術(shù)本身的研究是有意義的。

本文應(yīng)用有限元分析軟件，結(jié)合傳統(tǒng)方案，對滑座結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、目標優(yōu)化、再設(shè)計，得出相對傳統(tǒng)方案更為合理的結(jié)構(gòu)。

2 滑座結(jié)構(gòu)分析

2.1 有限元模型的建立

利用Pro/E建立滑座的三維模型。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，方便計算過程順利進行，需要去除模型中小尺寸的細節(jié)和特征。簡化內(nèi)容包括：

（1）刪除削隙槽、凸臺、臺階、凹槽;

（2）螺紋孔、螺栓孔、定位孔、注油孔;

（3）圓角、倒角、齒輪、軸。

為了使得計算分析結(jié)果與實際相同，計算時附帶工作臺臺面。

2.2 原滑座結(jié)構(gòu)靜力學分析

簡化好的模型導(dǎo)入有限元分析軟件中。定義滑座材料HT-300，密度ρ=7200kg/m3，彈性模量E=138GP，泊松比μ=0.25。工作臺采用solid20mm純六面體單元自動劃分網(wǎng)格。模型總節(jié)點數(shù)為619450，有限單元數(shù)為371965。對滑塊安裝面施加固定約束、自重，臺面均布加載2×104N負荷（滿載）。網(wǎng)格模型如圖1所示。

在有限元軟件中分析求解，得出原始滑座結(jié)構(gòu)方案結(jié)果如表1所示。

據(jù)分析結(jié)果可以看出，最大變形主要分布在軸承安裝面上，最大變形量為0.0047011mm，最大應(yīng)力主要集中于滑塊安裝面周圍，最大應(yīng)力為27.474MPa。由變形可以看出影響最大變形的位置在軸承安裝面上，因此可以適當調(diào)整滑座內(nèi)部筋板厚度及個數(shù)。

2.3 原滑座結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化以材料分布為優(yōu)化對象，通過拓撲優(yōu)化，可以在均勻分布材料的設(shè)計空間中找到最佳的分布方案。拓撲優(yōu)化相對于形狀優(yōu)化，具有更多的設(shè)計自由度，能夠獲得更大的設(shè)計空間。根據(jù)靜力學分析加載條件對原始結(jié)構(gòu)進行分析。從結(jié)果可知，原始結(jié)構(gòu)的材料可去除部分為結(jié)構(gòu)的四個邊角處、非軸承安裝面處，及分散于各條筋上的小部分材料。上述部位在結(jié)構(gòu)中受力最小，對整體結(jié)構(gòu)靜剛度貢獻小，可做減重處理，對結(jié)構(gòu)起到主要支撐作用的軸承安裝面的支撐筋。

3 原始滑座結(jié)構(gòu)的多目標優(yōu)化

在拓撲優(yōu)化分析基礎(chǔ)上，為使滑座具更小的質(zhì)量和更高的靜剛度，使結(jié)構(gòu)各項主要特征參數(shù)達到最優(yōu)組合，本案中采用有限元分析軟件中的模塊，進行優(yōu)化方式，對滑座結(jié)構(gòu)進行離散參數(shù)優(yōu)化分析。

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性建立相對應(yīng)的目標函數(shù)、設(shè)計變量等。

（1）參數(shù)設(shè)置及其相關(guān)定義，如表2所示。

（2）設(shè)計變量定義：

X=（ds_11，ds_12，ds_13，ds_14，ds_15）

目標函數(shù)：

在保證剛度的基礎(chǔ)上，追求最小的質(zhì)量。主要輸出的目標參數(shù)有：

P1—總質(zhì)量Mass，滑座的整體重量，單位kg;

P2—總變形Maximum滑座最大變形值，單位mm;

從靈敏度質(zhì)量響應(yīng)可以看出，隨著ds_11、ds_12、ds_14、 ds_15值的增加，輸出質(zhì)量隨之增大;隨著ds_13參數(shù)值的增加，輸出質(zhì)量隨之減小。

從靈敏度變形響應(yīng)可以看出，隨著ds_13、ds_15值的增加結(jié)構(gòu)的變形減小，其余參數(shù)的值增加結(jié)構(gòu)的變形量增大。

4 滑座新結(jié)構(gòu)分析

4.1 新結(jié)構(gòu)模型建立

通過對滑座結(jié)構(gòu)進行離散的目標參數(shù)優(yōu)化分析綜合，取平衡數(shù)值，滑座高度ds_11=322，橫筋厚度ds_12=20，豎筋厚度ds_14=20，橫筋個數(shù)ds_13=4，豎筋個數(shù)ds_15=4。

4.2 新結(jié)構(gòu)變形

對新結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化分析和驗證分析，得出最終結(jié)構(gòu)的靜力學分析結(jié)果。采用和原結(jié)構(gòu)加載的邊界條件一致，為結(jié)果提供對比分析的依據(jù)。其最大變形及應(yīng)力如表3所示結(jié)果。

5 結(jié)論

通過上面的分析對比可以得出以下結(jié)論：

（1）滑座優(yōu)化設(shè)計后，結(jié)構(gòu)更加合理，質(zhì)量更加輕量化，在同等剛度條件下節(jié)省材料88.2kg左右，質(zhì)量減少了11.9%，符合移動部件輕量化行業(yè)設(shè)計要求。

（2）最大變形原始結(jié)構(gòu)為0.0047011mm，最終結(jié)構(gòu)為0.0043461mm，變形減少了0.003550mm，剛度相應(yīng)提高了1.33%。

（3）最大應(yīng)力原始結(jié)構(gòu)為27.474MPa，最終結(jié)構(gòu)為10.787MPa，降低了16.786MPa，雖然改進前后都滿足材料屈服極限要求，但改變了應(yīng)力集中的位置。

由上述結(jié)論可知，借助正確的理論指導(dǎo)和先進的計算手段，有目標的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和產(chǎn)品性能，節(jié)省設(shè)計人員的研發(fā)時間和實驗成本，是一種有效的設(shè)計方法。由此逐步建立完整的數(shù)據(jù)庫，可為今后的設(shè)計提供范例和參考。

參考文獻：

[1]ANSYS Inc， ANSYS User's Manual[S]，2007.

[2]徐燕申.機械動態(tài)設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3]仿真科技論壇. http：//forum.simwe.com/

[4]楊姝.復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化若干問題研究[D]：[博士學位論文].大連：大連理工大學，2007.

[5]蒲廣益.ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實例詳解[M]. 北京，中國水利水電出版社，2010.

[6]覃文杰，左正興.機床整機動態(tài)特性分析[J].機械設(shè)計，2000（24）.