[发明专利]一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法

摘要

本发明公开了一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法，包含机床床身内部结构的拓扑优化及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化，机床床身内部结构的拓扑优化包含以下步骤：建立床身三维CAD模型；确定拓扑优化区域和非拓扑优化区域；建立拓扑优化的有限元模型；确定边界条件；确定优化目标和约束条件，建立拓扑优化的有限元模型；其中，机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包含以下步骤：根据拓扑优化结果，建立床身的参数化有限元模型；设计样本点；确定优化目标和约束；样本点有限元分析提取优化目标和约束在各样本点的值；建立优化目标和约束的代理模型；多目标优化问题的求解。本发明实现对机床床身内部结构进行优化，并且节约时间。

主权项

1.一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法，其特征在于，包括机床床身内部结构的拓扑优化以及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化；所述机床床身内部结构的拓扑优化包括以下步骤：a1)在三维软件中根据已有的床身模型或者机床床身的二维工程图绘制机床床身的三维CAD模型，再将所述机床床身的三维CAD模型导入到拓扑优化软件中，然后在拓扑优化软件中将所述机床床身的三维CAD模型分为拓扑优化区域及非拓扑优化区域；a2)对所述机床床身的三维CAD模型进行网格划分，建立有限元模型，并根据机床床身的材料设置有限元模型的材料属性，再根据机床床身的安装位置在有限元模型的相应位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小及方向，并将机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；设置制造工艺参数及拓扑优化响应的约束，并定义目标函数，再根据目标函数对有限元模型进行拓扑优化求解，然后根据拓扑优化求解的结果去除有限元模型中的伪密度材料，获得满足目标函数及约束的机床床身内部最优材料分布的概念模型；所述机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包括以下步骤：b1)根据步骤a2)得到的概念模型利用有限元软件的脚本语言建立机床床身的参数化有限元模型，所述参数化有限元模型内的参数变量包括床身筋板厚度和床身筋板高度；b2)根据床身材料设定参数化有限元模型的材料属性，并根据机床床身的实际安装位置，在参数化有限元模型相应的位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向，然后将所述机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到参数化有限元模型上；b3)根据参数变量的范围及个数在保证样本点均匀分布的前提下设计样本点，然后设定质量、应变能及最大变形为多目标优化的目标函数，并设定床身上部的两侧导轨最大变形差为约束函数，在参数化有限元模型中加入目标函数值及约束函数值；b4)通过有限元软件对参数化有限元模型在各样本点处进行分析，从而提取各样本点的目标函数值及约束函数值，然后根据各样本点的目标函数值及约束函数值采用代理模型技术构建目标函数及约束函数的代理模型，然后根据目标函数及约束函数的代理模型使用多目标优化问题算法求解多目标优化问题，得优化解集，用户从优化解集选取所需的机床床身筋板厚度及高度。