龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计

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龙门加工中心生产量在我国加工中心总生产量中虽然只占7% ～8%的比重，但却是飞机制造业、模具制造业等重大型器件生产的主要机床。研究并掌握龙门加工中心的生产技术，是支持我国制造业发展的重要组成部分。作为龙门加工中心的重要结构部件之-，立柱的动态特性与机床的整体性能有着密切关系。

因此，对龙门加工中心立柱部件进行准确、合理、科学可行的计算，进而对其进行优化设计，提高它的机械特性，将从很大程度上提高整个龙门加工中心的稳定性、加工精度、抗振性、可靠性以及使用寿命 。

在优化分析过程中，选择有限元分析法。这种方法自问世以来，使得传统的基于经验的结构设计趋于理性，设计出的产品也越来越精细。有限元分析软件采用具有强大的网格处理能力和满足高精度非线性问题的求解等优势的 ANSYS软件，进而最大程度的提高分析结果的精确度和可靠度 。

1 龙门加工中心立柱结构模型考虑到立柱结构较复杂 ，而 SOLIDWORKS软件又有功能强大，易学易用和技术创新三大功能特点，建模时选择 SOLIDWORKS作为建模软件，所建模型如图 1所示 。模型建立过程 中，只保 留对 立柱结 构特性起决定性因素的结构部位 ，对 圆角、倒角及其尺寸较小的凸台和孔径等小特征可忽略不建。这是由于，有限元网格划分过程中，大量畸形或不规则有限元单元的生成，会导致模型相应部位结合面不规则，进而无法生成有限元模型，所以要在保证立柱主要特性不受影响的情况下 ，尽量简化立柱模型。

模型建好后，输出.X-t格式文件，并将该文件导入 ANSYS的 workbench界面 ，设 置网格划分 的相收稿日期：2011-12-26；修回日期：2012-O8-3O基金项目：四川势技支撑计划项 目(2010GZ0051；2011GZ0065)作者简介：杨彩芳(1985-)，女，甘肃人 ，四川大学制造科学与工程学院硕士生，主要从事机床部件ANSYS分析，网络化协同设计等方面的学习研究，(E-mail)627198448###qq.com。

2013年2月 杨彩芳，等：龙门加工中心立柱性能分析与拓扑优化设计 ·53·优化方案在经济度允许的情况下，较好的提高了结构的静、动态性能。

表 2 立柱优化前 后结果比较原结构 优化结构 比较重量/g 15808145.1 1 15899149.89 O.58%最大变形/e-5mm 5.3l11 4.6498 12.45%1阶 87.274 95.987 9.98%共振 2阶 96. 993 lO3.9O1 7.12%频率3阶 104.79 lO9.8O 4.78% ，HZ4阶 121.74 l24.68 3.24%5 结束语使用拓扑优化分析进行大型结构的优化设计，能较精确地找出结构件的最优结构形式 。找到最优结构形式后，可以结合工艺及其生产的具体情况，获得较为优良的设计结果。同时，进行工程问题有限元分析的软件 ANSYS软件，具有速度快、简单和后处理丰富等优点。采用的静态分析和能量分析能很好的找到立柱 的薄弱环节 。优化后立柱 的动、静态特性都得到了较大的改进，但考虑到实际生产制造的成本以及加工工艺难易程度，立柱的结构依然有待进-步的改进及完善。