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精密臥式立柱結構優化設計論文

時間:2021-04-22 15:23:39 論文 我要投稿

精密臥式立柱結構優化設計論文

  1設計參數靈敏度分析

精密臥式立柱結構優化設計論文

  由于企業現有立柱整體結構已趨于成熟,考慮大到研發周期和成本等諸多因素,本文以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作為一組設計變量,利用靈敏度法分析各結構參數變化對立柱動態性能的影響。

  1.1壁厚對立柱動態性能的影響

  以立柱壁厚為設計變量,當其為20mm、22.5mm、25mm、27.5mm和30mm時可以看出,增加立柱壁厚對立柱固有頻率提高有較為明顯的作用,可以在現有基礎之上適當增加壁厚。

  1.2筋板高度對立柱動態性能的影響

  以立柱筋板高度為設計變量,當其為50mm、60mm、65mm、70mm和75mm時,可以看出,隨著筋高的增加立柱前2階固有頻率呈下降趨勢。故從提高固有頻率的角度來看,筋板高度宜小些。但是,筋板越高結構的抗扭轉能力越強,所以要綜合考慮兩個方面的影響。

  1.3筋板厚度對立柱動態性能的影響

  以立柱筋板厚度為設計變量,當其為16mm、18mm、20mm、22mm和24mm時,可以看出,筋板厚度對立柱的固有頻率的影響規律不明顯,可以通過減小筋板厚度來降低立柱質量。

  2立柱結構拓撲優化

  以減小的'材料質量為狀態變量,對該型機床床身的原始模型進行形狀拓撲優化計算,為后期的詳細設計提供依據,目的是在確保其承載能力的基礎上減輕床身重量,降低制造成本,增加立柱運動的快速相應能力。為了更為真實的模擬立柱所承受的工作載荷,本次優化將立柱放置于整個機床系統中,床身底面施加固定約束,刀頭處施加切削載荷。以減重20%為目標函數,對該型機床立柱進行拓撲優化,可以看出:該型機床立柱可在一定程度上進行優化減重,且可重點減輕立柱上部兩導軌之間空腔的壁厚,加大遠離刀頭一側導軌空腔的孔洞大小。

  3立柱內部筋板改進

  立柱的肋板形式和布置,對機床的動態性能有很大影響。因此,本文對立柱內部筋板形式進行優選,根據立柱具體結構,分析了蜂窩筋和直筋板對其動靜態性能的影響規律。對不同筋板形式下,立柱的動態特性進行分析。可以看出:質量相同的兩種結構方式,直筋在各階固有頻率上都占有優勢,此外直筋的鑄造工藝更為簡單,因此,建議立柱內部筋板采用直筋形式。

  4結束語

  1)對立柱原模型進行分析可知,該型機床立柱前兩階固有頻率分別為51.88Hz和58.58Hz,主要為立柱沿X項擺動和沿Z向擺動,由前兩階頻率較低,容易與整機驅動頻率發生耦合共振;

  2)以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作為一組設計變量,利用靈敏度法分析各結構參數變化對立柱動態性能的影響。結果表明:增加立柱壁厚可提高立柱固有頻率,增加筋板高度并不能提高立柱固有頻率,筋板厚度對立柱動態特性影響不明顯。

  3)通過拓撲優化發現,該型機床立柱可從兩方面進行減重:一是減輕立柱上部兩導軌之間空腔的壁厚,二是加大遠離刀頭一側導軌空腔的孔洞大小;

  4)與蜂窩筋相比,直筋板在各階固有頻率上都占有優勢,且鑄造工藝簡單,建議該型機床立柱內部筋板采用直筋形式;

  5)分析結果可為該類型機床立柱的進一步改進設計提供依據,具有一定的工程應用價值。

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