论高速加工中心立柱结构的拓扑优化-机电毕业论

　　关键词：拓扑优化；动态设计；动态特性

　　论文摘要：基于连续体ICM拓扑优化方法，提出了以体积为约束条件，机床的固有频率为目标函数的结构动态设计方法。为提高拓扑优化的精度，在结构优化过程中，同时也考虑了非设计区域的动态特性。将该方法应用到XH6650高速加工中心的立柱结构优化中，从而提高了机床的整机动态特性。

　　本文针对XH6650高速卧式加工中心进行了整机的CAD／CAE建模和模态分析，根据分析结果确定该加工中心的立柱对整机的动态特性影响最大。因此，选择加工中心的立柱为对象，基于ICM(independent—continuousmapping)拓扑优化方法，对其结构进行拓扑优化，以通过提高立柱的动态性能来达到提高整机动态性能的目的。

　　针对立柱结构，文中以结构的固有频率为目标函数，体积为约束的优化模型，在模型的建立过程中，也考虑到了安装在立柱上的主轴箱对其动态特性的影响，把主轴箱用相同的质量块来模拟代替，这样得到的立柱的优化结果，将使整个机床的动态性能得到更好的改善。

　　1　XH6650高速卧式加工中心的CAD/CAE模型与模态分析

　　该加工中心主要结构件由机床床身、立柱、主轴箱、工作台等组成，如图1所示。整机主要采用8节点单元Solid185对各零、部件进行网格划分，导轨结合面采用测试获得的动刚度和阻尼进行界面连接，螺栓结合面采用梁单元相连接，根据实际边界条件，对该模型中的床身底部进行约束处理。

　　最终得到整机有限元模型共有21．2万Solid185单元，如图2所示。

　　为确定加工中心主要结构件对机床动态特性的影响，对整机进行了模态分析，图3～图6是整机前4阶振型和对应的固有频率。

　　由模态分析结果可以看出，第1阶模态主要是立柱的左右向摆动，整机的振动模态频率为86．45Hz。立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上部作横向摆动，主振系统是立柱和主轴箱。因此，该振动频率取决于立柱和主轴箱的y向刚度与质量。