一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法

摘要

本发明属于机械设计技术领域，涉及到一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法，主要针对大跨度横梁的三维实体结构进行拓扑优化。本方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成。前期基础分析的目的是掌握原有横梁的静、动态特性，找出静、动性能相对薄弱的部分，并以此为基础对横梁进行结构拓扑优化。后期拓扑优化设计依据基础分析所得的结果，针对横梁的特点，对其进行结构拓扑优化，包括二维拓扑和三维拓扑。本拓扑优化方法采用密度法，以体积分数响应为约束函数，以静态应变能响应为目标函数。最后依据二维和三维拓扑优化分析结果重新建立了创新模型。本发明的有益效果是该结构拓扑优化方法提高了优化效率，优化结果的准确可靠。

主权项

一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法，该方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成；其特征在于如下步骤：(一)前期基础分析主要包括：(1)模型简化，其原则为去除不必要的定位装配结构，包括去除模型当中所有的倒角；去除直径小于10mm的孔；去除高度小于10mm的凸台；简化半径小于10mm的圆弧结构；去除不直接受力部位的空洞；(2)网格划分，在网格划分前先定义材料的属性，网格划分原则为：结构简单部分采用自由网格划分；结构复杂部分采用切割法进行逐步划分；接触面位置和载荷位置进行网格细化；映射面网格划分允许在面上生成结构网格；(3)边界条件设置，边界条件完全模拟真实环境中的约束情况，依据不同工件的不同工作特点，同时施加一种或几种约束；主要采用的约束方法有：固定约束，使被约束表面或实体完全固定；位移约束，分别限制X，Y，Z方向的自由度；压缩约束，该约束只承受压缩应力；圆柱约束，分别限制径向、轴向、切向自由度；(4)静态分析，是计算在固定不变的载荷作用下机械结构的效应，不考虑惯性和阻尼的影响；静态分析所施加的载荷包括：①外部施加的作用力和压力；②稳态的惯性力(如重力和离心力)；③位移载荷；④温度载荷；静态分析结果应该包含工件的X、Y、Z三个方向和总体的受力变形及应力分布情况；(5)动态分析包括模态分析和谐响应分析；模态分析是研究无阻尼的自由振动，得到振动系统的固有特性，即固有频率和振型及振动应力；谐响应分析主要用来分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周期响应(谐响应)，以及确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳定响应；(二)拓扑优化设计采用密度法，以体积分数响应为约束函数，以静态应变能响应为目标函数；结构拓扑优化由两部分组成：(1)二维结构拓扑优化；(2)三维结构拓扑优化；先对横梁的横截面进行平面拓扑优化，并在此基础之上进行三维结构拓扑优化；两种优化方法的结合使用，确保最终结果的准确性；其中，体积分数计算公式为： V f = V - V u V 0 - - - ( 1 ) 式(1)中，Vf为体积分数，V为当前迭代的总体积，Vu为初始非设计域体积，V0为初始设计体积；静态应变能计算公式为： C = 1 2 u T f = 1 2 u T Ku = 1 2 ∫ ϵ T σdV - - - ( 2 ) 式(2)中，K为系统的刚度矩阵，f为载荷，u为载荷f作用下的节点位移矢量，ε为载荷f作用下的应变，σ为应力，V为设计材料的总体积。