[发明专利]一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法

摘要

一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法，应用于立式加工中心机床箱体类零件设计领域，其特征是针对支承件材料进行合理分布，在保证静、动态性能的前提下减轻支承件重量。包括以下3个步骤：建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型；构造立式加工中心机床箱体类支承件概念；立式加工中心机床箱体类支承件结构方案设计。本发明方法充分利用三维造型、有限元分析、拓扑优化以及支承件“概念-单元”设计知识库，完成支承件的结构优化设计。与传统设计方法相比，在保证支承件性能的前提下节省加工原材料，降低制造成本，达到轻量化设计的目的。

主权项

1.一种立式加工中心机床箱体类支承件结构的建立方法，是一种“概念-单元”的立式加工中心机床箱体类支承件结构建立方法，其特征在于以下步骤，第一步，建立立式加工中心机床箱体类支承件物理模型（1）建立支承件几何实体结构：根据现有支承件二维图纸，建立适于进行支承件拓扑优化的三维几何模型，去除边界倒角及次要的定位孔洞结构，去除高度小于20mm的凸台；（2）求解与等效支承件载荷约束：调用相应的切削力求解公式，求解出此工况下切削力FX,FY,FZ大小；将切削力FX,FY,FZ、切削位置X_F,Y_F,Z_F、支承零件质量m_i、重心参数X_Gi,Y_Gi,Z_Gi带入力学平衡方程，求出支承件所受到的合力：Fi=Σk=1nFi(k),]]>Mi=Σk=1nMi(k),]]>i为x，y，z，其中F_i为等效到结合面中心处的某单向力，M_i为等效到结合面中心处的某单向转矩，F_i(k)为结合面作用点处对应方向力，n为作用点数目，x，y，z为机床坐标系下三个方向；调用受力平衡方程计算支承件的有限元分析载荷；依据支承件结合面的连接形式求解出不同结合面下的刚度参数，建立面向数控机床支承件的导轨、螺栓、丝杠等结合面的弹性约束模型；（3）建立支承件物理模型：将支承件三维模型进入有限元分析，定义材料属性，依据支承件特征尺寸合理进行有限元网格划分；将上述步骤求解的支承件载荷结果与约束等效形式按照有限元模型里的建模方法与步骤，加载至有限元模型，形成支承件的物理模型；第二步，构造立式加工中心机床箱体类支承件概念模型（1）确定支承最佳传力路线：在体积约束下，以结构多工况的加权静态应变能最小为优化目标的结构优化数学模型表述如下：minCW(X)=12Σwiui(X)TKui(X)subjecttoVi(X)/V0≤Δ0≤xk≤1,k=1,2,...,N]]>式中：X为设计变量，表示单元密度，u(X)为节点位移矢量，K为结构总体刚度矩阵；C_w(X)为静态应变能，w_i为每个载荷工况各自的加权系数，取值范围在0.0～1.0之间；V_i(X)为优化后设计域有效体积，V₀为优化前初始设计域体积，Δ为体积约束分数，处于0～1之间；完成上述优化参数设置后调用优化求解器，迭代求解出支承件最佳材料分布路径；（2）产生支承件概念模型：首先，对传力路径进行关键点提取；传力路径关键点即为支承件拓扑优化结果高材料密度上若干截面的外轮廓点集，是用来拟合传力路径的必需点，提取并记录这些点的空间坐标位置；其次，拟合高密度材料的曲线、曲面：根据上述关键点拟合出高材料密度上若干截面的外轮廓曲线，并用各个截面上的外轮廓点拟合出传力路径曲线，通过扫掠或其它一些处理方式利用这些曲线得到高材料密度的拟合曲面，进而形成传力路径的实体模型结构；最后，对矢量化输出结果进行规整化：考虑到支承件外观特征，材料应规则的布置，通过人机交互方式建立起桁架式的支承件概念构型；第三步，建立立式加工中心机床箱体类支承件结构（1）支承件主体构型与尺度：主体结构包括主壁板和主筋板两部分，主壁板建立是结合拓扑优化结果，综合考虑支承件的装配、连接、制造工艺，根据支承件不同的工作状况和受载形式，确定支承件的主壁板构型；计算不同壁板尺度下支承件的性能，确定支承件主壁板厚度尺度；主筋板是支承件受载时的主传力路径，依据支承件概念模型，在主壁板上或壁板之间，增加筋板结构；计算不同筋板尺度下支承件的性能，确定经济、实用的主筋板尺度；（2）支承件结构单元构型与尺度：单元是用于改变支承件局部性能或者用于提高支承件制造工艺性的结构，单元有多种形式，如米字型、井字形、太阳型等，依据主筋板构型确定结构单元的填充区域；通过建立的结构单元型谱，选择不同载荷形式的结构单元，并进行单元结构的组合，形成支承件单元构型方案；调用支承件结构单元尺度与性能关系图表与曲线，确定支承件单元尺度，初步形成支承件结构方案；不同结构单元类型的性能如表1所示：表1：不同结构单元类型性能对比表（3）设计支承件工艺造型：在支承件初步结构方案基础之上，结合支承件的铸造、加工、吊装运输工况，设计适合不同工序阶段的工艺结构。