[发明专利]一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法

摘要

一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法，先进行等效模型的构建，然后进行基结构有限元模型的初始化，再进行柔性生长单元的构建，然后进行有限元分析，再进行自适应生长，生长竞争与构型重构在MMA算法更新下不停迭代，直到材料用量达到初始化时设定的最大值β0，本发明能在设计阶段通过有限元的方法获得水套的性能参数，提高了设计的可靠性，相较于传统设计具有更高的设计效率，能够获得更优的设计结果，同时降低了设计成本。

主权项

1.一种数控机床主轴冷却水套通道布局优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)等效模型的构建：将选定的水套实体等效为具有导热率λ0的材料，并将此材料作为模型中低热导率基底的材料，具有高热导率λp的水套通道(即冷却液)在基底材料上部生长形成；2)基结构有限元模型的初始化：根据所需设计的主轴尺寸，以等效水套实体的材料参数建立设计域即基结构的有限元模型，根据主轴的实际发热情况，对基结构施加热载荷边界条件；水套由相同的两部分包覆形成，将其中一部分取出展开，得到的设计域是矩形，其中一条边中点为热沉，设计域中均匀受热；采用1mm×1mm大小的二维壳单元对基结构进行建模；3)柔性生长单元的构建：水套通道的最终构型是由若干柔性生长单元组成，柔性生长单元通过取水平集函数的零水平集来显式表达；水平集函数为其中(xi,yi)是柔性生长单元A点的坐标，L是单元半长，θ是单元倾角，t1,t2,t3分别是柔性生长单元A，B，C三点的半宽，这7个表示柔性生长单元几何参数的变量能够定义一个柔性生长单元：Xi＝[xi,yi,L,t1,t2,t3,θ]T基结构上的任意一个坐标为(x,y)的节点对第i个柔性生长单元能够求出一个对应的水平集函数的值φi，节点的最终水平集函数值取所得各值的最大值φs(x,y)＝max(φ1,φ2,φ3,…,φn)，n为柔性生长单元的个数；4)有限元分析：在获得水平集函数值后，基结构上每个四边形壳单元的热导率能够由其四个节点的热导率插值得到，则由有限元方法有：其中，K是整个结构的热导率矩阵，Q是热量，A是接触面积，ΔT是温度差，d是热量传递距离，冷却液温度为20℃，至此得到柔性生长单元的有限元模型；5)自适应生长方法：5.1)优化问题数学模型的建立：目标函数：温度差ΔT最小；设计变量：Xi＝[X1,X1……Xn]；约束条件：V≤Vmax其中，Xi是第i个柔性生长单元的几何参数，V是高热导率材料所用的材料总用量，Vmax是允许的最大材料用量；5.2)自适应生长过程：将生长过程分为主脉与次脉两个层级，主脉生长完成后开始次脉的生长，同时引入生长竞争与局部重构两种生长策略；5.2.1)水套通道参数初始化：在建立设计域后，设定水套通道的最大材料用量β0及生长过程中每一步的材料用量上限β(k)，基结构和水套通道的热导率分别设定为λ0和λp，设定设计变量的初始值X0、最小值Xmin、最大值Xmax；5.2.2)生长竞争：生长竞争即柔性生长单元生长得到最优几何参数的过程，生长竞争分为对每个柔性生长单元的局部优化与对所有柔性生长单元的全局优化两部分，局部优化即是对每个柔性生长单元的一组几何参数的优化；全局优化是在所有柔性生长单元生长完成后，在保持单元位置和角度不变的情况下对所有单元的宽度进行优化的过程；生长过程中，每个新的柔性生长单元都从上一步生长出来的单元末端开始生长；5.2.3)局部重构：构型重构发生在生长过程中，用来决定某个柔性生长单元末端是否继续生长出下一级柔性生长单元；设定两个阈值：生长阈值Wb和退化阈值Wd：当新生长的柔性生长单元中间宽度值t2＞Wb，则此新生长的柔性生长单元将得到保留；当t2＜Wd，新生长的柔性生长单元将被去除；当Wd≤t2≤Wb，新生长的柔性生长单元将得到保留，但其末端不能再生长出下一级柔性生长单元；生长竞争与构型重构在MMA算法更新下不停迭代，直到材料用量达到初始化时设定的最大值β0；至此获得采用柔性生长单元生长形成的数控机床主轴冷却水套通道布局的最优化设计。