[发明专利]一种机床床身结构优化设计方法

权利要求书

1.一种机床床身结构优化设计方法，其特征在于，包含下述步骤：

1)机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤；

2)机床床身拓扑优化步骤；

3)机床床身结构综合优化步骤；

其中机床床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化步骤包含如下步骤：

1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型，设定参数变量，基于特征参照建立床身参数化模型，需要参数化的尺寸包括床身壁厚、床身两侧面筋板厚度、床身导轨正下方纵向筋板厚度、床身导轨之间筋板厚度和床身筋板高度；

2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将参数化模型导入有限元软件中；

3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实际安装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件，分解出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；

4)对模型进行网格划分，设定结构静力学分析的显示结果为变形和等效应力，设定模态分析的显示结果为前六阶固有频率，求解有限元模型；

5)在有限元软件的参数管理器中，设定各个设计变量的变化范围，并设定床身质量、最大变形、最大等效应力和一阶、二阶固有频率为目标函数，利用实验设计建立优化分析实验样本点，从而建立多目标优化模型；

6)对各个样本点进行求解，设定目标函数的重要程度，利用软件选择出最优设计值，依据优化结果修改床身壁厚及筋板尺寸；

其中机床床身拓扑优化步骤包含如下步骤：

1)在三维软件中利用机床床身二维图纸建立其三维几何模型；

2)利用三维建模软件和有限元软件无缝接口，将三维几何模型导入有限元软件中；

3)依据床身材料设定其有限元模型的弹性模量、泊松比和密度；依据机床床身实际安装位置，在地脚螺栓台阶面上施加固定约束；基于整机载荷传递图确定载荷边界条件，分解出床身承受的载荷位置和大小，对其有限元模型施加载荷约束；

4)对模型进行网格划分，设定拓扑优化目标百分比，从而建立拓扑优化模型；

5)求解有限元模型，基于拓扑优化结果修改床身结构，将伪密度材料去除；

利用床身壁厚和筋板几何尺寸多目标优化结果和拓扑优化结果修改床身结构，分析其动静特性。

2.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于：床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化的参数化建模步骤采用基于特征参照的参数化建模方法，即分析壁板及筋板与床身整体结构的位置关联关系，建立壁板及筋板参照基准与床身参照基准之间的约束关系，依据各特征与参照基准之间的约束关系给其几何尺寸赋予设计参数。

3.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于：多目标优化和拓扑优化的有限元载荷边界条件确定步骤采用基于载荷传递图确定载荷边界条件的方法，即确定机床工作状态下的载荷源，包括重力、切削力、夹紧力、冲击力和热载荷，分析载荷在各个部件间的传递关系，构建整机载荷传递图；基于载荷传递图确定床身承受的外载荷类型、位置和大小，在有限元分析中，重力是通过施加重力加速度来实现，热载荷是通过热变形分析得出，其余载荷是通过集中力、面压力和扭矩来等效。

4.根据权利要求3所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于：基于床身壁厚及筋板几何尺寸多目标优化的优化模型建模步骤所建数学模型如下：

目标函数：重量最小，即Min f(x)

设计变量：x＝(x₁，x₂，...x_n)

约束条件：σ_e≤[σ]

ε_max≤[ε]

f₁≥[f]

G_i1≤x_i≤C_i2    i＝1，2，...，n

其中，f(x)为床身重量；x_i为床身第i个设计变量；σ_e为床身最大等效应力；ε_max为床身最大变形量；f₁为床身一阶频率；n为设计变量的个数。

5.根据权利要求1所述的机床床身结构优化设计方法，其特征在于：基于拓扑优化的有限元建模步骤所建数学模型如下：

在材料用量条件下，寻找具有某种度量的最大刚度：这里指结构单位质量所具有的柔度最小，即材料的最优分布，

最小化

MinC=F→T·U→(ρ)]]>

满足

KU→=F→]]>

∫Ωρ(x)dΩ=Σρtvt≤V0]]>

0＜δ≤ρ_i≤1，i＝1，...，n

其中，C为结构的柔顺度，为结构所受的外力矢量，为结构位移矢量，K为刚度矩阵，v_t为第i单元的体积，V₀为给定材料用量的总体积，ρ_t为第i单元的伪密度设计变量，n为设计变量的个数。