一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法

摘要

本发明公开了一种采用极端尺寸调整的横梁结构优化设计方法，本方法从横梁结构内部筋板的分布类型和结构关键尺寸调整两个方面进行优化。通过确定横梁结构内部筋板的分布类型得出具有较好静动态特性的横梁结构，结合所要达到的性能指标，在尺寸的可调范围内，对关键尺寸进行灵敏度分析，把尺寸变量分为灵敏度大和灵敏度小的两部分，将灵敏度大的变量尺寸增加到上限，将灵敏度小的变量尺寸减小到下限，然后建立模型进行有限元分析，根据分析结果，通过依次减小灵敏度大的变量尺寸和依次增加灵敏度小的变量尺寸进行反复调整，从而得到新的横梁结构。本发明提出的优化方法合理，操作简单，可以实现机床横梁等结构的优化设计。

说明书

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种机床关键结构的设计方法，具体涉及一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法。

技术背景

随着科学技术的不断发展，数控机床在制造业中的应用越来越广泛。数控机床主要的结构设计方法多为传统的经验设计或类比设计，这种设计方法得到的结构一般只能实现单目标的性能要求（如结构变形量更小）；当前基于软件优化的技术也基本上只能实现单目标的最优设计。对于比较复杂的机床关键结构，一般需要进行多目标优化，使其具有静动特性好，同时质量轻等特点，所以如何根据单项或多项性能指标对机床结构进行优化设计，是结构优化设计中需要解决的主要问题之一。

目前，随着结构优化软件特别是有限元软件的广泛使用和现代机械设计理论与方法的发展，加快了机床结构优化设计的进程，采用有限元和灵敏度分析法对机床结构进行优化设计是近年来一个重要的研究方向。针对机床关键结构复杂及自身特性影响因素多样性的特点，运用灵敏度分析法得出结构关键尺寸的灵敏度大小，如何调整关键结构的尺寸厚度，综合考虑多项性能指标，实现机床关键结构的优化设计得到理想的结构方案，也是目前结构优化设计中需要解决的主要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法，该方法主要是通过改变筋板类型和调整关键尺寸的厚度，结合所要达到的性能指标，采用极端尺寸调整方法，实现结构的多目标优化。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本方法为一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法，涉及的具体内容主要为：从横梁结构内部筋板的分布类型和结构关键尺寸厚度的调整两个方面进行优化；根据结构关键尺寸灵敏度分析结果，结合所要达到的各项性能指标，在尺寸可调范围内，运用极端尺寸调整方法对横梁结构进行优化，从而得到新的横梁结构；具体的操作步骤如下：

(1) 建立横梁结构三维几何模型；

(2) 根据实际工况，建立横梁结构的力学模型并求解；

(3) 运用有限元软件对横梁结构进行静动态力学性能分析；

(4) 改变横梁结构内部筋板的分布类型，设计若干种横梁结构方案；

(5) 对设计的若干种横梁结构方案进行静动态力学性能分析，以静变形量和低阶模态频率为性能指标，判断横梁结构方案是否优于原结构，选择优于原结构且方案中最优的筋板分布类型，确定横梁结构方案；

(6) 选取横梁结构方案的关键尺寸作为调整变量，根据横梁结构的模型特征，设置关键尺寸为横梁结构的前后壁厚、左右壁厚、上下壁厚、横向筋板厚度、纵向筋板厚度、竖向筋板厚度、内部筋板厚度；

(7) 设定关键尺寸的变化范围，在尺寸可调范围内，对横梁结构关键尺寸进行灵敏度分析；

(8) 根据关键尺寸的灵敏度大小，对于可同时进行优化的多项性能指标，在尺寸可调范围内，采用极端尺寸调整方法，改变关键尺寸的大小得到横梁结构优化模型；对于不可同时进行优化的多项性能指标，采用极端尺寸调整方法，实行分步优化，最终得到横梁结构优化设计方案。

采用的极端尺寸调整方法为：根据关键尺寸的灵敏度大小，以中间值作为参考，把尺寸变量分为灵敏度大和灵敏度小的两部分，根据尺寸的可调范围，首先把灵敏度大的变量尺寸增加到上限，把灵敏度小的变量尺寸减小到下限，然后建立模型进行有限元分析，判断分析结果是否满足性能指标；如果满足，即得到优化结构；如果不满足，应通过依次减小灵敏度大的变量尺寸(从灵敏度大的变量中最小的开始减小)和依次增加灵敏度小的变量尺寸(从灵敏度小的变量中最大的开始增加)进行反复调整，最终得到优化方案。

本发明的有益效果是：按照本发明的设计步骤，结合机床横梁结构的复杂性和性能指标多样性的特点，提出了一套完整的采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构多目标优化设计方法。该方法从改变横梁结构筋板类型和调整横梁结构关键尺寸的角度，根据设定的多项性能指标，采用极端尺寸调整方法，可以得到满足设计指标的理想结构方案；该优化方法操作简单、方便，不仅可以实现横梁结构的多目标优化，而且可以广泛应用于其他的机械及工程结构的优化设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明的结构优化设计流程图；

图2为本发明实施例横梁结构的三维模型图；

图3为本发明实施例横梁结构的关键尺寸示意图。

具体实施方式

本发明主要从横梁结构内部筋板的类型和横梁结构关键尺寸厚度的调整两个方面进行优化，具体的优化设计流程如图1所示。首先，初步建立横梁结构的三维模型，根据工况建立横梁结构的力学模型，以计算出的横梁结构实际受力作为载荷进行静动态力学性能分析；通过改变内部筋板的类型，设计若干种新的横梁结构方案，对其进行力学性能分析，选择优于原结构且方案中最优的筋板分布类型，确定横梁结构方案；最后，对横梁结构关键尺寸进行灵敏度分析，设定一项或多项所要达到的性能指标，在尺寸可调范围内，采用极端尺寸调整方法，调整对性能指标有较大影响的尺寸，对结构关键尺寸进行优化，得到最终的横梁结构优化设计方案。

极端尺寸调整方法为：根据关键尺寸的灵敏度大小，以中间值作为参考，把尺寸变量分为灵敏度大和灵敏度小的两部分，根据尺寸的可调范围，首先把灵敏度大的变量尺寸增加到上限，把灵敏度小的变量尺寸减小到下限，然后建立模型进行有限元分析，判断分析结果是否满足性能指标；如果满足，即得到优化结构；如果不满足，应通过依次减小灵敏度大的变量尺寸(从灵敏度大的变量中最小的开始减小)和依次增加灵敏度小的变量尺寸(从灵敏度小的变量中最大的开始增加)进行反复调整，最终得到结构优化方案。

该方法是一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法，也可适用于数控机床其他关键结构的优化设计。本说明书以某型号龙门加工中心横梁结构为例详细介绍优化设计过程，图2所示为横梁结构三维模型，采用Solidworks三维软件建模，有限元分析软件为ANSYS12.0。

根据横梁结构的实际工况，选取横梁结构变形量最大的位置建立力学模型，通过力的平移和等效原理，列出力学平衡方程计算出所受载荷的大小；将横梁结构与立柱相对应的螺栓孔作为固定约束，对横梁结构施加载荷与约束，运用有限元分析软件对横梁结构进行静动态性能分析。

不改变横梁结构外部尺寸，改变横梁结构内部筋板的分布类型，设计若干种横梁结构方案；分别对设计的若干种横梁结构方案进行静动态力学性能分析，以静变形量和低阶模态频率为性能指标，判断结构方案是否优于原结构，选择优于原结构且方案中最优的筋板分布类型，确定横梁结构内部筋板方案。

根据横梁结构的模型特征，设置关键尺寸为：横梁结构的前后壁厚、左右壁厚、上下壁厚、横向筋板厚度、纵向筋板厚度、竖向筋板厚度、内部筋板的厚度；选取横梁结构关键尺寸作为设计变量，关键尺寸所对应的位置如图3所示。横梁结构关键尺寸设计变量如表1所示。

表1 横梁结构关键尺寸设计变量

前后壁厚上下壁厚左右壁厚横向筋板厚度纵向筋板厚度竖向筋板厚度内部筋板厚度B1B2B3T1T2T3T425mm25mm25mm20mm20mm20mm20mm

按照机床设计手册及横梁结构的实际铸造情况，首先设定关键尺寸增减量变化范围为-4mm到4mm，即约束横梁结构关键尺寸B1~B3的变化范围为21~29mm，横梁结构关键尺寸T1~T4的变化范围为16~24mm，然后对关键尺寸进行灵敏度分析。在灵敏度分析过程中，以原始尺寸厚度为尺寸变化的0点，每次尺寸变化2mm，尺寸增减量范围为-4mm到4mm，可得出各关键尺寸对静变形量、一阶模态频率及质量的灵敏度大小。

下面分别以采用极端尺寸调整方法同时进行优化的多项性能指标为例和分步进行优化的多项性能指标为例，说明采用极端尺寸调整方法进行横梁结构优化设计的可行性。

1.设定横梁结构优化性能指标为：横梁结构质量基本不变的情况下，以减小静变形量和提高一阶模态频率为性能指标，即多目标优化。通过对关键尺寸进行灵敏度分析可得到灵敏度大小为：T2>B2>B3>T4>B1>T1>T3，B2、B3、T2和T4的变化对横梁结构静变形量和一阶固有频率的影响较明显，将B2、B3、T2和T4分为灵敏度大的变量，应增加这些尺寸；B1、T1和T3对横梁结构静变形量和一阶固有频率基本无影响，将B1、T1和T3分为灵敏度小的变量，应减小这些尺寸；在尺寸可调范围内，按照极端尺寸调整方法，把B2、B3、T2和T4的尺寸调整到最大，把B1、T1和T3的尺寸调整到最小，建立横梁结构优化模型，并对尺寸调整后横梁结构模型进行有限元分析，分析结果发现，横梁结构不满足性能指标，所以，将灵敏度大的变量中灵敏度较小变量尺寸T4的尺寸减小1mm，将灵敏度小的变量中灵敏度较大的变量尺寸B1增加1mm，建立横梁结构优化模型，并对尺寸调整后横梁结构模型进行有限元分析，判断分析结果是否满足性能指标，分析结果发现，横梁结构不满足性能指标，所以将灵敏度大的变量中变量尺寸B3的尺寸减小1mm，建立横梁结构优化模型，并对尺寸调整后横梁结构模型进行有限元分析，判断是否满足性能指标，如此反复调整，得到最终横梁结构优化设计方案。结构优化前后关键尺寸及性能指标对比如表2所示。

表2结构优化前后关键尺寸及性能指标对比

关键尺寸名称变量原始数据调整后数据变化值前后壁厚B125mm22mm-3mm上下壁厚B225mm28mm+3mm左右壁厚B325mm28mm+3mm横向筋板厚度T120mm16mm-4mm纵向筋板厚度T220mm24mm+4mm竖向筋板厚度T320mm16mm-4mm内部筋板厚度T420mm23mm+3mm静变形量K27.6um26.7um-3.3%一阶频率F102.24Hz102.69Hz+0.4%重量M4735kg4726kg-9kg

表3  结构优化前后关键尺寸及性能指标对比由表2可以看出，优化后横梁结构满足了优化设计的性能指标，实现了多目标优化；在减小横梁结构静变形量、提高一阶模态频率的情况下，同时横梁结构质量减少了9kg。

2. 设定横梁结构优化设计性能指标为：在满足横梁结构静动态特性的条件下，实现横梁结构的轻量化优化设计。本例讲述分步实现的性能指标，分步实现过程为：首先分别以静变形量、一阶模态频率不变为性能指标，采用极端尺寸调整法，实现单因素的横梁结构轻量化设计；然后在两种方案的基础上，采用极端尺寸调整法，得到最终的横梁结构轻量化设计方案。

(1) 当性能指标为横梁结构静变形量基本不变，尽可能多的减少横梁结构质量时，根据对关键尺寸的灵敏度分析可知，B2、T4的变化对横梁结构静变形量影响较明显，将B2、和T4分为灵敏度大的变量，应增加这些尺寸，减少其余变量的厚度。采用极端尺寸调整方法，得到了优化结构方案：在横梁结构静变形量不变的条件下，质量较原结构减小了181kg。当性能指标为横梁结构一阶模态频率基本不变，尽可能多的减少横梁结构质量时，B3、T2的变化对横梁静变形量影响较明显，应增加这些变量的厚度，减少其余变量的厚度。采用极端尺寸调整方法，得到优化结构方案的尺寸大小，在一阶模态频率不变的情况下，质量减小了278kg。

(2) 在(1)的基础上，取前两种横梁轻量化设计方案中，相同的尺寸保持不变，将其余尺寸采用变尺寸法进行调整，在满足横梁结构静动态特性的条件下，横梁质量减小了152kg，实现了横梁结构轻量化设计。结构优化前后关键尺寸及性能指标对比如表3所示。

关键尺寸名称变量原始数据调整后数据变化值前后壁厚B125mm21mm-4mm上下壁厚B225mm27mm+2mm左右壁厚B325mm22mm-3mm横向筋板厚度T120mm17mm-3mm纵向筋板厚度T220mm17mm-3mm竖向筋板厚度T320mm16mm-4mm内部筋板厚度T420mm23mm+3mm静变形量K27.6um27.6um   0一阶频率F102.24Hz102.17Hz-0.07Hz重量M4735kg4583kg-152kg

从表3可以看出，在满足横梁结构静动态特性的条件下，实现了横梁结构轻量化的结构优化设计。优化后横梁结构的质量减少了152kg，静变形量和一阶模态频率基本不变，实现了横梁结构的轻量化优化设计。

综上所述，运用本发明优化设计方法可以实现数控机床横梁结构多性能指标的优化设计，而且操作简单、方便。

本发明提供一种采用极端尺寸调整的数控机床横梁结构优化设计方法。以上内容是结合一种机床横梁结构优化设计为实施案例对本发明所作的进一步详细说明，本发明的具体实施不仅仅只局限于这些说明，在不脱离本发明构思和方法的前提下，做出的任何简单修改或替代，都应在本发明的保护范畴。