基于ANSYS的加工中心滑座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

作者: 張向宇*熊計(jì)*郝鋅*賴人銘    來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: Ansys proe 有限元 前滑座 拓?fù)鋬?yōu)化  
分析了TH65100臥式加工中心的前滑座,使用proe軟件建立機(jī)床前滑座的三維模型。通過(guò)proe軟件與ANSYS軟件的嵌套。將proe軟件中的三維實(shí)體導(dǎo)進(jìn)有限元分析軟件ANSYS中,利用ANSYS軟件的靜力分析功能,對(duì)進(jìn)給狀態(tài)下的滑座做有限元計(jì)算,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果校核了滑座的靜強(qiáng)度。使用ANSYS軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)滑座結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的滑座結(jié)構(gòu)保持了原結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度和剛度,但比原設(shè)計(jì)方案的用料減少了36.95 kg。

根據(jù)設(shè)計(jì)變量類型不同,結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以分為:尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)洳季謨?yōu)化以及結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化。近年來(lái),尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化發(fā)展已經(jīng)較為成熟,隨著有限元方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃和計(jì)算機(jī)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化成為研究熱點(diǎn)。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的載荷及邊界條件下,確定材料在設(shè)計(jì)空間的最優(yōu)分布。按照其研究對(duì)象可分為骨架類結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化?。目前國(guó)內(nèi)的拓?fù)鋬?yōu)化模型一般只能實(shí)現(xiàn)二維平面及簡(jiǎn)單三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),研究與應(yīng)用力度不夠,缺少具有求解大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多工況下的設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文針對(duì)TH65100臥式加工中心前滑座結(jié)構(gòu)采用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法,建立前滑座結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)完整的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)原型口1。

    1 模型的建立

前滑座模型的建立是用三維建模軟件proe建立的。大小與尺寸嚴(yán)格按照?qǐng)D紙尺寸進(jìn)行,模型如1。

綜合考慮計(jì)算精度的影響及有限元模型的計(jì)算規(guī)模,根據(jù)圣維南原理,對(duì)部分局部特征如倒角(圓)、凸臺(tái)、螺釘孔、油孔和水孔等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。

    圖1 模型

    2 有限元靜力分析

    2.1 單元選取與網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖紙,加工中心前滑座的材料為灰鑄鐵HT300,材料為各向同性、介質(zhì)均勻。取其彈性模量E=130GPa;泊松比μ=0.24;密度ρ=。TH65100加工中心前滑座結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部有縱橫交錯(cuò)的筋板,并且有相當(dāng)多的開(kāi)口、凸臺(tái)等特征,表面形狀復(fù)雜,很難用影射網(wǎng)格劃分。由于前滑座中的線、面眾多,難以控制,所以網(wǎng)格劃分采用ANSYS中的智能分網(wǎng)方法(Smart Size)。ANSYS在智能分網(wǎng)控制中將網(wǎng)格精度分為10級(jí),其中默認(rèn)精度為6級(jí),l級(jí)為最精細(xì)級(jí),10級(jí)為最粗糙級(jí)?？紤]到前滑座屬大件結(jié)構(gòu),為了減少單元數(shù)量,提高分析速度,使計(jì)算現(xiàn)實(shí)可行,可以適當(dāng)降低分網(wǎng)精度,本文中取8~10級(jí)。在單元的選取上選用solid45單元。這是一種三維實(shí)體單元,每個(gè)單元含8個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分后前滑座的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為17355,單元總數(shù)為30732,網(wǎng)格生成見(jiàn)圖2。

    圖2 前滑座劃分網(wǎng)格后的模型

    2.2 約束與加載

由實(shí)際測(cè)試計(jì)算可得,在滑座的表面上有均布力的作用,它的壓強(qiáng)為83542.1888Pa。工作臺(tái)的縱向行程為機(jī)床的x坐標(biāo)軸,主軸箱垂直于地面的行程是Y坐標(biāo)軸,立柱的橫向進(jìn)給是Z坐標(biāo)。除此之外,還有一個(gè)B坐標(biāo)軸(圖中未標(biāo)出),就是工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸,該機(jī)床的工作臺(tái)是可以360度任意旋轉(zhuǎn)的,約束如圖3所示。

    圖3 滑座的約柬

如圖3所示,在進(jìn)給狀態(tài)下,兩導(dǎo)軌槽的底面分別限制了滑座在y軸方向的移動(dòng)自由度和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度,同時(shí)它們還共同限制了滑座繞x軸的旋轉(zhuǎn)自由度,另外,兩導(dǎo)軌槽的側(cè)面則分別限制了滑座在Z軸的移動(dòng)自由度和繞Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度。滑座與工作臺(tái)的接觸面如圖4所示。
 2.3 靜力分析

計(jì)算后得到零件變形與應(yīng)力情況如圖5與圖6示。圖5中黃色實(shí)體(黑白圖的灰色部分)是零件變形后的形狀,白色是零件原有的形狀。

    圖4 滑座與工作臺(tái)的接觸面積圖示

    圖5 零件變形圖

    圖6 零件應(yīng)力圖

圖6中的數(shù)據(jù)顯示,滑座在進(jìn)給狀態(tài)下所受最大應(yīng)力(SMX)為2.54MPa,最大變形(DMX)為3.34μm。圖中用9種顏色來(lái)分別表示不同的應(yīng)力數(shù)值段,實(shí)體上紅色的區(qū)域(圖中④處)為最大應(yīng)力處,藍(lán)色區(qū)域(圖中①處及零件圖中黑色部分)所受的應(yīng)力最小?？梢钥吹?滑座體的大部分都是藍(lán)色區(qū)域,應(yīng)力很小,而且最大的應(yīng)力也只不過(guò)有2.54MPa。經(jīng)查,滑座材料(HT300)的強(qiáng)度極限( )為250MPa。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以得到以下兩個(gè)結(jié)論:首先,通過(guò)計(jì)算的結(jié)果可以確定滑座的靜強(qiáng)度條件是充分滿足的,不會(huì)在進(jìn)給狀態(tài)下發(fā)生故障;其次,由于圖中的藍(lán)色區(qū)域過(guò)多,且最大應(yīng)力占強(qiáng)度極限的比重太小,因此可以認(rèn)為原設(shè)計(jì)過(guò)于保守,造成了材料的浪費(fèi),滑座的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步改進(jìn)。

    3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及其分析

    3.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)際上是一種模型的幾何構(gòu)形的優(yōu)化,某些情況下也可以稱之為“布置”優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是,在受到給定約束的情況下,為了使某個(gè)目標(biāo)量(總體剛度、自振頻率等)最小化或最大化而尋求實(shí)體材料的最佳使用方案。

在ANSYS軟件中的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊里,有三個(gè)重要概念,即設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。ANSYS軟件的優(yōu)化模塊里把需要優(yōu)化的變量叫做設(shè)計(jì)變量(Design Variables),設(shè)計(jì)變量為自變量,優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在ANSYS軟件中,最多允許定義60個(gè)設(shè)計(jì)變量。狀態(tài)變量(State Variables)是約束設(shè)計(jì)的變量。狀態(tài)變量為因變量,是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。在ANSYS軟件中,最多允許定義不超過(guò)100個(gè)狀態(tài)變量。目標(biāo)函數(shù)是最后用以評(píng)估設(shè)計(jì)是否是最優(yōu)的量,它也是設(shè)計(jì)變量的函數(shù),但與狀態(tài)變量不同,它沒(méi)有約束的作用(即沒(méi)有上下限),一般來(lái)說(shuō)這個(gè)量越小越好。在ANSYS軟件中,只能設(shè)定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。ANSYS中提供了兩種優(yōu)化方法:零階方法和一階方法。零階方法即函數(shù)逼近優(yōu)化方法,該種方法的本質(zhì)是采用最小二乘逼近,求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬和解空問(wèn),然后再對(duì)該函數(shù)面求極值。無(wú)疑這是一種普適的優(yōu)化方法,不容易陷入局部極值點(diǎn),但優(yōu)化精度一般不是很高,因此多用來(lái)做粗優(yōu)化的手段。一階方法即是針對(duì)第一種優(yōu)化方法缺點(diǎn)的改進(jìn)方法,叫做梯度尋優(yōu),但用第二類梯度尋優(yōu)進(jìn)行優(yōu)化,不僅時(shí)間消耗長(zhǎng),還可能陷入局部最小點(diǎn),因此通常都建議使用零階函數(shù)逼近優(yōu)化。目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟是:

    (1)生成循環(huán)所用的分析文件,其中包括參數(shù)化建模和第一次求解。優(yōu)化設(shè)計(jì)要求在參數(shù)化建模的過(guò)程中將所有的設(shè)計(jì)變量以參數(shù)化的形式輸入;

    (2)進(jìn)行優(yōu)化分析的設(shè)置。在這個(gè)過(guò)程中,需要指定設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù);

    (3)進(jìn)行優(yōu)化分析。運(yùn)行優(yōu)化程序并查看結(jié)果。

    圖7 拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果
3.2 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化模塊中有三種方法顯示結(jié)果,第一種是通過(guò)列表來(lái)顯示拓?fù)涞^(guò)程,第二種是用圖形來(lái)顯示拓?fù)涞^(guò)程,最后一種是通過(guò)實(shí)體上不同的顏色來(lái)表示拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果。其中最后一種方法最直觀,因此使用最后一種方法做為結(jié)果顯示方式,結(jié)果顯示如圖7。

圖中藍(lán)色的區(qū)域(黑白圖中是黑色的區(qū)域)是可以去掉的材料,紅色的部分(圖中稍淺的部分)是要保留的材料。根據(jù)圖中顯示的結(jié)果,可以將圖中用紅線圈住的那部分筋板全部去掉。

    3.3 滑座改進(jìn)方案的靜力分析結(jié)果

根據(jù)圖7所示的結(jié)果,在proe軟件中對(duì)滑座筋板原來(lái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動(dòng),即將圖7中紅線圈住的那部分(圖中黑線圈住的部分)筋板全部去掉,其它結(jié)構(gòu)不作改動(dòng)。將得到的這個(gè)實(shí)體導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行靜力分析后,得到結(jié)果如圖8所示。

    圖8 拓?fù)鋬?yōu)化后的靜力分析結(jié)果

與原設(shè)計(jì)方案的靜力分析結(jié)果相比,滑座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力由2.54MPa減小為2.521MPa,因此改進(jìn)的結(jié)構(gòu)與原來(lái)的設(shè)計(jì)方案相比,性能沒(méi)有太大變化。但這次改進(jìn)中去掉的筋板的體積為,而原來(lái)筋板總體積為,去除的材料占筋板總體積的22.51%,質(zhì)量為36.95kg,因此改進(jìn)方案與原方案相比更加節(jié)省材料。

    4 結(jié)論

(1)在proe軟件中建立了滑座的三維模型,并且探討了CAD軟件與CAE軟件的數(shù)據(jù)交互技術(shù)。然后將這個(gè)三維模型導(dǎo)入了ANSYS軟件中,使用其中的結(jié)構(gòu)分析功能對(duì)滑座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析。

(2)從靜力分析角度來(lái)講,滑座的靜強(qiáng)度條件是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足的。它的上面聯(lián)結(jié)著工作臺(tái),是機(jī)床前床身上的一個(gè)很重要的承重部件。但前滑座的材料使用了灰鑄鐵,具有較高的抗壓強(qiáng)度,因此滑座即使在極限情況下,它受的最大應(yīng)力與材料的強(qiáng)度極限也相距甚遠(yuǎn)。故原設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)有些偏高,在一定程度上造成了材料的浪費(fèi)。

(3)在完成了對(duì)滑座的靜強(qiáng)度校核后,用ANSYS軟件中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊對(duì)滑座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)對(duì)這個(gè)改進(jìn)方案靜力分析的結(jié)果顯示,在材料節(jié)省22.51%的情況下,滑座結(jié)構(gòu)的剛度基本不變。此外,文中所列的分析數(shù)據(jù)部分已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的驗(yàn)證,其結(jié)論具有很好的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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