[发明专利]基于参数化有限元模型的电主轴结构优化方法

摘要

本发明公开一种基于参数化有限元模型的电主轴结构优化方法，其特征在于，1)根据待优化的电主轴，初步定义优化问题的设计变量和优化目标；2)以设计变量为可变参数，建立电主轴参数化有限元模型；3)根据电主轴设计原则以及相关理论，确定设计变量取值范围、确定状态变量，建立约束条件，然后建立目标函数；4)选取智能优化算法，进行优化求解，得到优化结果。本发明是基于电主轴参数化有限元模型的优化，考虑了非线性轴承刚度，建立的模型更加接近实际，模型灵活，优化效果好，特别适用于电主轴高刚性、轻量化双目标优化。能够有效提高电主轴刚度，减小电主轴质量，为电主轴的设计提供了有效指导。

主权项

1.一种基于参数化有限元模型的电主轴结构优化方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)预定义电主轴结构优化的设计变量为：主轴悬伸量a、前端轴承跨距L1、后端轴承跨距L2、电主轴外径D；优化目的为：提高电主轴刚度、减小电主轴质量；(2)以设计变量为可变参数，建立电主轴的参数化有限元模型用弹簧作为模拟轴承，轴承的支承刚度由轴承拟静力学模型提前计算出，设置弹簧的刚度，使之与对应的轴承刚度一致；然后用四面体单元划分网格，在弹簧与主轴接触点处细化网格；将轴承外圈约束为固定支撑，约束转子转动自由度，限制其周向转动；在主轴负载一端，施加载荷；(3)确定设计变量取值范围、确定状态变量，建立约束条件，然后建立起目标函数；其中，设计变量、状态变量、约束条件以及目标函数由下面表达形式确定：设计变量：x＝(x1,x2,x3,x4)T＝(a,L1,L2,D)Txmin≤x≤xmax式中：xmin——设计变量下限；xmax——设计变量上限；状态变量：主轴的质量m，轴端位移δ，一阶固有频率f以及最大应力τ：m(x)＝m(a,L1,L2,D)f(x)＝f(a,L1,L2,D)δ(x)＝δ(a,L1,L2,D)τ(x)＝τ(a,L1,L2,D)约束条件：δ(x)≤δmaxτ(x)≤τ许L＝L0式中：δmax——允许主轴轴向最大伸长量；τ许——主轴弯曲变形时的最大许用切应力，单位MPa，和主轴材料有关；L——主轴沿轴向实际总长度；L0——主轴设计总长，为常数；目标函数：用主轴一阶固有频率函数f(x)和主轴质量函数m(x)分别量化表征高刚性和轻量化这两个指标，因此，目标函数为：f1(x)＝f(x)f2(x)＝m(x)在满足设计变量取值以及约束条件的情况下，要求f1(x)取最大值、f2(x)取最小值，即：max f1(x)＝maxf(x)min f2(x)＝min m(x)(4)采用优化算法对步骤(1)～(3)已设计好的电主轴结构参数进行求解，得到优化结果。