[发明专利]一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，涉及到一种高速立式加工中心关键部件-横梁的结构拓扑优化设计，主要针对大跨度横梁的三维实体结构进行拓扑优化，提出一套完整的大跨度横梁的拓扑优化设计方法，使得横梁的动、静性能满足设计要求。

技术背景

航空航天、军工、汽车、能源等领域是支撑国民经济增长的主要领域，高速加工中心正是上述领域所急需的重要关键装备之一。高速加工中心机床的应用主要集中于航空航天、军工、汽车、能源等领域的关键零部件生产。高速加工中心组成的高速、高效柔性生产线更为上述重大领域的批量相似件以及大规模零部件的生产提供了高效、可靠的自动化加工装备。因此研制具备较高精度和可靠性的高速加工中心对于我国的装备制造业的发展和航空航天、军工、汽车、能源等行业的振兴以及我国机床行业产品的结构调整都具有重要的战略意义。

目前，我国各行业所需的高速加工中心都需要从国外大批量的进口。但是自20世纪90年代以来，高速加工中心的进口受到了工业发达国家的限制，其中尤其以航空航天和军工制造等命脉行业为重点封锁对象。这样就使我国航空航天和军工制造行业的发展受到了巨大限制。另外，凡进口到我国的高速加工中心的价格都十分昂贵，很大程度上限制了我国汽车、能源等核心制造行业的发展速度，严重影响了我国国民经济的高速发展。

综上所述，开发具有当前国际先进水平的高速加工中心，并解决相关的关键技术难题，有利于我国尽快掌握高速加工中心的关键技术，尽早的形成产品的系列化和批量化生产能力；可以彻底改变我国高速加工中心长期受工业发达国家进口限制的现状；不但可以提高企业的技术创新能力，增强我国航空航天、军工、汽车、能源等核心行业的竞争力，而且对保障国防安全等国家重大战略目标的实现和进一步提升国民经济的整体水平方面具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是对高速立式加工中心大跨度横梁进行拓扑优化设计，提供一套完整的大跨度横梁结构拓扑优化的具体实施方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

该方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成。

(一)前期基础分析

前期基础分析的目的是掌握原有横梁的静、动态特性，找出静、动性能相对薄弱的部分，并以此为基础对横梁进行结构拓扑优化。前期基础分析采用有限元分析法，对横梁的计算机仿真模型进行静、动态仿真分析。静态分析中的载荷、约束、材料属性的参数均由实验采集或计算机计算获得，保证了数据的准确性。前期基础分析主要包括：

(1)模型简化

由于横梁为结构铸件，其实体模型当中必然存在大量铸造圆角、工艺孔及螺纹孔，因此在建立有限元模型的过程中，必须进行模型简化。其原则为去除不必要的定位装配结构，包括去除模型当中所有的倒角；去除直径小于10mm的孔；去除高度小于10mm的凸台；简化半径小于10mm的圆弧结构；去除不直接受力部位的空洞等定位装配结构。

(2)网格划分

网格划分是建模中非常重要的一个环节，它将几何模型转化为由节点和单元构成的有限元模型。在网格划分前先定义材料的属性，网格划分原则为：结构简单部分采用自由网格划分；结构复杂部分采用切割法进行逐步划分；接触面位置和载荷位置进行网格细化；映射面网格划分允许在面上生成结构网格。

(3)边界条件设置

边界条件完全模拟真实环境中的约束情况，依据不同工件的不同工作特点，同时施加一种或几种约束。主要采用的约束方法有：固定约束，使被约束表面或实体完全固定；位移约束，可分别限制X，Y，Z方向的自由度；压缩约束，该约束只承受压缩应力；圆柱约束，可分别限制径向、轴向、切向自由度。

(4)静态分析

静态分析是计算在固定不变的载荷作用下机械结构的效应，不考虑惯性和阻尼的影响。静态分析所施加的载荷包括：①外部施加的作用力和压力；②稳态的惯性力(如重力和离心力)；③位移载荷；④温度载荷。静态分析结果应该包含工件的X、Y、Z三个方向和总体的受力变形及应力分布情况。

(5)动态分析

动态分析包括模态分析和谐响应分析。模态分析是研究无阻尼的自由振动，得到振动系统的固有特性，即固有频率和振型及振动应力。谐响应分析主要用来分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周期响应(谐响应)，以及确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳定响应。

(二)拓扑优化设计