[发明专利]基于动态特性分析的磨齿机立柱结构优化设计的方法

说明书

技术领域

本发明属于机械结构优化设计领域，尤其涉及一种基于动态特性分析的磨齿机立柱结构优化设计的方法。 

背景技术

齿轮是机械传动系统的基本部件，用于传递空间任意两轴或多轴之间的运动和动力，其传动性能的优劣和承载能力的高低很大程度上决定着机械产品的质量和水平。磨齿是齿轮精加工最常用的一种方法，因此开发成形磨齿机对齿轮的加工具有重要意义。 

目前发达国家在齿轮加工机床研究制造方面处于先进水平，已有可以加工外齿和内斜齿的磨齿机并已经产品化。在计算机软硬件技术飞速发展的背景下，发达国家在机床设计方面实现了计算机辅助设计制造，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种实验方案，减少实验时间和经费。我国机床结构设计的方法相对落后，大部分机床生产停留在经验设计阶段，不但开发周期长，设计成本高，资源浪费量大，而且精度和可靠性难以达到国际水平，很大程度上制约了我国机床业的发展。立柱是机床的重要组成部分，对于立柱结构分析，传统的材料力学方法很难求得需要的数据，而且计算量大计算结果误差也大，采用加大安全系数的方法可以保证结构的安全可靠运行，但结果使机床结构尺寸变大，不仅浪费材料，而且增加制造成本。有限元分析具有计算速度快、精度高的特点，通过三维建模和有限元分析计算，在设计阶段就能清晰地了解到构件每一点的应力、应变及位移、构件的稳定性等情况，同 时可方便地对结构作反复的修改，为方案的选择和改进提供有利依据。近年来，结构有限元分析以及结构优化方法发展迅速，在工程结构设计中的应用越来越广泛。在机床结构设计领域，将结构有限元分析以及结构优化方法分别运用到机床结构的分析和设计阶段，减少了反复的样机试验和方案修正工作，缩短了设计周期，降低了开发成本，同时由理论依据为指导，机床结构设计更加高效和高质量。 

虽然在机床结构分析设计领域，通过众多学者的研究，已经取得了丰硕的成果。然而从目前研究来看，有限元软件三维建模不强，无法反映模型的细节；如何将理论的抽象的结构优化结果设计成具体的实际的机床结构；现有结构优化方法无法得到材料的最佳分布情况，存在一定局限性。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于动态特性分析的磨齿机立柱结构优化设计的方法，旨在解决现有结构优化方法无法得到材料的最佳分布情况的问题。 

本发明是这样实现的，一种基于动态特性分析的磨齿机立柱结构优化设计的方法，包括以下步骤： 

建立磨齿机立柱的有限元模型； 

对所述立柱进行动态分析，确定立柱的固有频率和振型； 

以立柱的设计空间单元体积为约束，以立柱固有频率为目标函数，对立柱进行独立的单阶拓扑优化； 

根据所述单阶拓扑优化结果，寻找结构质量轻且低阶频率提高的空间质量分布，根据所述立柱的单元密度的分布，优化立柱内部结构。 

优选地，所述建立磨齿机立柱的有限元模型之后还包括步骤：对所述立柱进行静态分析，根据分析结果优化立柱的静态参数。 

优选地，所述对所述立柱进行动态分析，确定立柱的固有频率和振型之后还包括步骤：建立磨齿机整机的有限元模型，对磨齿机中对立柱的动态性能影 响不大的部件进行简化。 

优选地，所述以立柱的设计空间单元体积为约束，以立柱固有频率为目标函数，对立柱进行独立的单阶拓扑优化之前还包括步骤： 

通过灵敏度分析找到影响立柱最大的参数，根据所述参数建立立柱的有限元模型，然后在整机中进行模态分析，得到磨齿机整机的动态特性； 

根据磨齿机整机的动态特性确定优化参数和对象。 

优选地，所述灵敏度分析用函数定义为：其中，Sn为高阶微分灵敏度，若一函数F（x）可导，其高阶灵敏度可表示为分子为F9x）的偏导数。 

优选地，所述建立磨齿机立柱的有限元模型具体为：去除所述立柱的外部孔、后窗以及底部的安装部分特征结构，只保留立柱的外形尺寸，建立立柱外形尺寸的有限元模型。 

优选地，所述有限元模型的建立具体为：通过三维造型软件Pro/Engineer建立磨齿机立柱的三维实体模型，通过有限元分析软件ANSYS与三维造型软件Pro/Engineer专用接口无缝连接，将所述三维实体模型立柱的导入有限元分析软件ANSYS中生成有限元模型。