更全的杂志信息网

龙门加工中心横梁的有限元分析及优化设计*

更新时间:2009-03-28

0 引言

横梁是龙门机床关键部件之一,起着连接滑座、滑鞍等关键部件的作用,横梁自身的结构及布局决定了其动、静态特性,而横梁筋板的动、静态特性又直接关系到龙门机床的整机性能。本文在HyperMesh中建立了VMC3015HH动梁双定柱龙门式加工中心的横梁结构有限元模型,使用优化软件对横梁内外板进行了拓扑优化,根据优化结果确定内外板加强肋合理布局,提高横梁横梁的抗弯、抗扭能力的同时实现轻量化设计。横梁模型在静力工况下以刚度最大为目标,约束优化空间的体积分数,优化后的横梁增加了刚度,同时质量减少了13.9%。表明利用有限元分析方法在产品设计前期进行一定的结构设计,能够提供较优的拓扑结构,从而提高产品的整体性能。

从仿真波形可以看出,引入虚拟电容后,牵引过程中直流电压及电池电流的震荡程度明显减小,电压最大震荡幅值为±200 V,系统稳定性得到很好的改善。

1 拓扑优化

拓扑优化技术能在给定的设计空间内找出最佳的材料分布,拓扑的改进可大大改善结构的性能和减小结构的质量。目前连续体结构拓扑优化技术比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和变厚度方法。变密度法就是引入一种假想的密度值在[0,1]之间的密度可变的材料,将连续结构体离散为有限元模型后,以每个单元的密度为设计变量,将结构的拓扑优化问题转化为单元材料的最优分布问题。用变密度法得到的拓扑优化结果是密度等值分布图,其中密度为中间值所对应的区域为假想的人工材料,在实际的工程中是没法实现的,因此在得到最优拓扑图形后要对这些区域进行人为的处理以适应实际的工程需要。目前,拓扑优化在机床的结构设计中已经得到广泛应用[1-9]。横梁对主轴箱起到支撑作用,其刚度性能直接影响到机床的加工精度,因此本文采用拓扑优化法对加工中心的横梁进行优化设计。

据资料研究表明[8],多糖主要是通过增强巨噬细胞的吞噬能力、激活T淋巴细胞、B淋巴细胞、网状内皮系统和补体,引发干扰素和白细胞介素生成来完成免疫调节。

2 横梁有限元模型

横梁部件包含导轨、螺栓、垫片等众多的零件,若将它们都作为研究对象会让分析变得复杂,影响分析结果。所以在对横梁进行分析时需要作适当的简化,横梁外部是箱体结构,内部是横纵筋板结构,忽略比较小的过渡圆角、小孔等。三维模型见图1。

  

图1 横梁的三维模型

在白羽肉鸡养殖过程中,随着白羽肉鸡养殖数量的增加,白羽肉鸡相关的传染性疾病和非传染性疾病大发生与流行越来越多。白羽肉鸡传染性疾病的感染率和死亡率均较高,给白羽肉鸡养殖业造成严重的经济损失。

横梁主要材料特性:弹性模量2.1×105MPa,泊松比0.3,密度7.9×10-9t/mm3。在HyperMesh软件中导入模型,选取壳单元划分网格,网格大小为25 mm,单元总数目为23 585,有限元模型见图2。

  

图2 横梁的网格

3 横梁有限元分析和优化

不同筋板结构的横梁抗弯、抗扭能力不同。因此必须优化横梁筋板结构,以提高横梁的抗弯、抗扭能力。横梁前面承载滑枕和主轴箱,保留的较多的材料。因此将横梁的背部和内部筋板都指定为设计区域,设定拓扑结构的极限尺寸,以横梁设计区域的体积分数为约束条件,揉度最小为目标,求解得到拓扑优化结果如图4所示,图中结构深色部分是拓扑优化后要保留材料的部分,而变成透明网格的部分是优化后可以不布置材料或者少布置材料的部分。

龙门加工中心横梁受力为两端简支梁支承,横梁所承受的力除了横梁、滑枕、主轴等的自重外,还要承受由于主轴箱等的悬挂而产生的倾覆和扭转力矩。主轴箱和滑枕总重量1.7 t都是靠横梁支撑,因此,在横梁顶部施加重力和相应的力矩,固定横梁底面,在OptiStruct中进行求解。横梁计算结果如图3所示,横梁质量为3.36 t,顶部最大的变形为0.063 mm,变形比较大,表明横梁刚度不足,需要对其进行结构优化,使刚度提高,重量减轻。

  

图3 横梁变形

  

图4 第20次迭代和密度值为0.3拓扑结构云图

4 优化后的横梁有限元分析

4.1 优化后的横梁结构

LW16-40.5型断路器在合闸时容易出现储能跳跃,这种情况会导致机构无法正常工作。此时要对储能拉力弹簧的拉力情况进行检查。由于频繁的操作弹簧疲劳是引发断路器在操作过程中出现跳跃故障的重点原因,因此在检修过程中应当对弹簧的好坏加以重视[6]。

  

图5 优化设计后横梁几何模型

4.2 优化后的计算结果与分析

对优化后的横梁结构进行了验证和分析,评估对比新旧结构的性能。重新划分网格,加载原模型相同的约束和载荷,在OptiStruct中进行求解,获得变形结果,如图6所示。新设计的横梁质量为2.95 t,与原始结构3.36 t相比,质量减少了13.9%。顶部最大的变形为0.025 mm,与原始结构0.063 mm相比,刚度提高了60.3%,计算结果表明:横梁结构经过优化设计后,刚度明显地提高了,同时减轻了横梁的重量。

  

图6 优化设计后横梁变形

5 结论

本文对VMC3015HH龙门加工中心横梁的结构进行了有限元分析,运用OptiStruct完成了对横梁内板结构进行优化设计,通过优化加强筋的位置和布局,有效地提高了横梁整体的抗弯刚度和材料使用率,最后对优化后的横梁进行验证和分析,计算结果表明优化后的横梁结构刚度有了明显的提高,减轻了横梁重量,说明了优化设计方法应用于横梁的设计是可行的,为企业进行产品的设计提供了切实可行的方法和手段。

对横梁拓扑优化结果进行可制造化处理,经可制造化处理得到的横梁整体效果如图5所示。

[3]田亚峰,王礼明.基于拓扑优化的龙门数控机床工作台筋板设计与分析[J].组合机床与自动化加工技术,2015(07):57-60.

[1]张永存,崔雷.基于拓扑优化的机床床鞍创新构型设计[J].固体力学学报,2011(10):335-342.

[4]王明旭,晏丽.纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研究综述[J].材料导报,2015(08):108-112.

[2]童水光,刘彧.基于拓扑优化的卧式旋压机床身加强肋布局优化设计方法[J].机械设计,2012(06):31-35.

参考文献:

女人嫁过来那天,豪宅里热闹并且神圣。那是十八年以前,那一年她二十三岁。她的皮肤像缎子般光洁光滑,她的嘴唇像沾着露珠的草莓。她的美和清纯,无懈可击。可是后来,她知道,她高挑的身材,娇嫩的肌肤,精致的五官,花苞般娇艳的乳房,她所有的一切,全都是工厂流水线的作品。

[5]戴冠林.数控机床结构热性能分析与支撑部件拓扑优化 设 计 [J].机 械 研 究 与 应 用 ,2013(10):131-134.

[6]刘舜尧,李进,贺浩.基于渐进结构优化的取料梁腹板拓扑优化[J].工程设计学报, 2011(03):174-177.

[7]马超,马雅丽.VHT800立式车铣加工中心立柱结构静动态优化及轻量化设计[J].组合机床与自动化加工技术,2011(3):11-15.

[8]饶柳生,侯亮,潘勇军.基于拓扑优化的机床立柱筋板改进[J].机械设计与研究,2010(01):87-91.

[9]汪列隆,朱壮瑞.基于相对密度机床立柱结构的动力学拓扑优化[J].机电工程,2008(4):34-38.

 
陈敏,张华伟,陈启愉,毛璐瑶,林建新
《机电工程技术》 2018年第04期
《机电工程技术》2018年第04期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息