论高速加工中心立柱结构的拓扑优化-机电毕业论(3)

　　3　考虑非设计集合的立柱的拓扑优化

　　对整个机床而言，立柱结构对其动态特性影响很大。如果设计不合理，往往成为机床的薄弱环节。在对立柱进行优化时，还要注意与立柱相连的主轴箱的影响，拓扑优化是要确定出质量在空间的分布，因此要把主轴箱加入模型，使其作为非设计集合，图7所示为立柱的数字化拓扑优化有限元模型，立柱的底部为全约束以模拟实际工况。

　　4　优化结果

　　根据式(1)和立柱的数字化模型，以立柱的前三阶固有频率的算术平均值最大为目标函数，进行拓扑优化，最终的拓扑结构如图8所示，据此可以得到立柱肋板结构如图9所示。

　　考虑筋板结构制造和加工工艺要求，把拓扑优化的结果简化成筋板结构，最终形成的立柱结构CAD模型如图10所示。

　　为验证立柱优化后对整机的动态特性的影响，将优化后立柱重新装配到整机中，形成新的整机仿真模型。立柱优化设计前、后固有频率计算结果见表1。可见优化后立柱的质量基本保持不变，而前三阶固有频率明显地高于优化前的值，由此可见经过拓扑优化以后的整机动态特性有明显提高，优化结果良好。

　　5　结束语

　　通过建立考虑非设计集合的体积约束拓扑优化模型，以前三阶频率为约束，对立柱结构进行了拓扑优化，并对其进行了结构改进。通过对改进后的立柱及整机进行有限元分析，可知机床整机动态特性明显得到提高。该优化设计方法也适用于其他的优化设计。