基于拓扑优化的加工中心立柱轻量化设计

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The lightweight design for high-speed machining center of columnBased on the topological optimizationMI Ning，1UO Hong-bo，ZHAO Dong-ping(1.Colege of Mechanical Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，Gansu；(2.Colege of Electrical and Mechanical Engineering，Northwestern PolytechnicalUniversity，Xian 710072，Shanxi)Abstract：The research object iS machining center.Set up the finite element model of the machine toolcolumn and done static and modal analysis.Verifed the correctness of the finite element through the mo-dal experiment mode1.On the basis of the above，got the performance indicators of dynamic and staticwhich column structure optimization need to meet.To established the structural topology optimizationmathematical model on the condition of volume and first 4 naturalequency.Through the iterative calcu-lation and got the cloud density pictures which used to guide optimizing.Then Done manufacturing chem-ical processing of the optimum result and dynamic and static simulation analysis.The results show thatthe quality of the column reduce.Completed the lightweight design of thestructure。

Key words：machine center；column；topological optimization；ansys；lightweight design立柱是加工中心的基础部件，也是重量较大的部件。立柱的轻量化设计是降低加工中心总重量，减少材料成本，提高市澈争力的关键。传统的设计过于保守，应力水平低，强度富余大，并且材料利用率低，没有达到最优的结构，应该还具有很大的轻量化空间。在现代加工中心产业节材减重的大趋势下，在满足使用性能的条件下，减轻加工中心的立柱重量就显得十分必要。

目前，加工中心立柱的优化设计已从静态设计发展到动态设计阶段。然而，多数优化方法将重点放在结构尺寸优化设计上 ·引。但结构尺寸优化设计只能对现有结构的参数进行优化，具有-定的局限性。而结构拓扑优化技术是针对结构布局进行的全局设计，是节材减重的优化设计方法，能充分提高材料利用率、挖掘结构轻量化的潜力。

本文拟运用先进的结构拓扑优化技术，以结构总重量为优化目标，以静力最大变形和前4阶固有频率为约束，对加工中心的立柱结构进行轻量化设计。

收稿 日期 ：2012-12.28作者简介：弥 宁(1975-)，男，甘肃庆阳人，讲师，硕士研究生，主要从事机械设计及制造的教学与研究。

48 陇东学院学报 第24卷皿图13 四阶频率优化云图2.3 拓扑优化结果的可制造化处理由于拓扑优化结果极不规则，不便于加工制造，必须对其进行可制造化处理∩制造化处理要结合原结构特点，并依据前四阶单阶优化云图，对优化结果进行局部的修整，得到合理的满足使用性能的立柱结构，并达到轻量化的目标。

在安装尺寸约束下，由前四阶单阶优化云图可看出，立柱顶部、外侧面上部和下部材料利用率低。因此，在立柱顶部和外侧面上下两处可开圆孑l，同时增大立柱内侧板孑l洞尺寸，使其轻量化。

图14 优化后立柱模型将优化后立柱模型进行静动态重分析，并与原结构进行比较，在最大变形量不增加的基础上，使得立柱的重量获到了显著减少，同时使得立柱的动态性能也得到了提高。

3 结论对加工中心立柱进行有限元静动态分析和模态实验的基础上，采用先进的拓扑优化设计方法对其进行优化设计。

结果表明，在保证立柱使用性能的前提下，其结构更加合理，重量明显减轻，节约了材料，达到了轻量化设计的目的，获得了显著的经济效益。同时立柱的静动态性能得到了提高：可见运用拓扑优化方法对结构进行轻量化设计是有效的。