[发明专利]面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法

说明书

本发明涉及一种面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法，其步骤：1)确定机床整机结构设计空间，构建出需要拓扑的原始实体结构；2)以机床整机结构为研究对象，设置整机可设计优化区域和非设计优化域；3)以机床整机结构为研究对象，在各个受力面上添加载荷；4)对研究对象采用整机静力学分析和整机动力学分析；5)依据静力学分析结果进行拓扑优化模型构建与分析；6)对拓扑后模型重新进行几何修复，使拓扑后的模型表面的网格均匀，以及在保留原有结构不变情况下表面更加匀称；7)对模型进行细节处理，并转化为实体模型，送至打印软件进行添加支撑处理；8)机床整体拓扑优化后获得整机模型。

技术领域

本发明涉及一种精密机床刚度优化设计方法，尤其是一种面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法。

背景技术

刚度是精密机床结构设计的重要目标，刚度的提高有助于提高机床加工效率、加工精度和加工工件表面光洁度。精密机床结构设计中刚度设计的核心问题是结构对载荷的高效传递与承担。对单部件进行动静刚度设计，可以改变部件结构提高整机刚度特性。但是刚度最好的单部件组和出的整体结构，并不等于性能最优的整体结构。因此，需要一种面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法，该方法通过系统分析精密机床在加工空间最佳结构布置方案，确定精密机床整机结构的优化构型。

本发明的技术方案是：一种面向整体结构的精密机床刚度优化设计方法，包括以下步骤：

1)确定机床整机结构设计空间，构建出需要拓扑的原始实体结构，即拓扑前有限元模型；

2)以机床整机结构为研究对象，设置整机可设计优化区域和非设计优化域；

3)以机床整机结构为研究对象，在各个受力面上添加载荷；

4)对研究对象采用整机静力学分析和整机动力学分析；

5)依据静力学分析结果进行拓扑优化模型构建与分析,拓扑模型的重量与整体设计空间的重量比，依据一阶固有频率最大原则进行设置，获取最大一阶固有频率的方法为在体积比20％～100％之间进行全域搜索，获得全局最优解；

6)对拓扑后模型重新进行几何修复，使拓扑后的模型表面的网格均匀，以及在保留原有结构不变情况下表面更加匀称，确保模型增材制造不会因为模型个别曲面过于粗糙导致模型打印效果不佳；

7)对模型进行细节处理，并转化为实体模型，送至打印软件进行添加支撑处理；

8)机床整体拓扑优化后获得整机模型。

进一步，所述机床整体结构：其分析将机床整体结构作为一个整体进行分析，而不是将机床结构肢解为若干部件。

进一步，所述整机静力学分析：以机床原始模型为全实体结构，利用有限元软件对模型进行静力学分析与模态分析，采用六面体网格进行划分得到多个单元与多个节点的整机有限元模型，再对各个受力面施加载荷与重力之后得出静力学条件下的应力与变形图；

进一步，所述整机动力学分析，包括以下分析：

a.模态分析

通过对整机进行模态分析得出其自身的各阶固有频率和振型；

b.谐响应分析

为反应在不同主轴转速激励下的动态性能变化，通过在主轴箱头处分别在X,Y,Z三个方向施加一个谐激励力，用来模拟机床的切削过程，激励频段为0～800HZ；

进一步，所述拓扑优化模型构建与分析，包括：

a.变密度法拓扑优化