本发明专利技术属于机械设计技术领域，涉及到一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法，主要针对大跨度横梁的三维实体结构进行拓扑优化。本方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成。前期基础分析的目的是掌握原有横梁的静、动态特性，找出静、动性能相对薄弱的部分，并以此为基础对横梁进行结构拓扑优化。后期拓扑优化设计依据基础分析所得的结果，针对横梁的特点，对其进行结构拓扑优化，包括二维拓扑和三维拓扑。本拓扑优化方法采用密度法，以体积分数响应为约束函数，以静态应变能响应为目标函数。最后依据二维和三维拓扑优化分析结果重新建立了创新模型。本发明专利技术的有益效果是该结构拓扑优化方法提高了优化效率，优化结果的准确可靠。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械设计
，涉及到一种高速立式加工中心关键部件-横梁的 结构拓扑优化设计，主要针对大跨度横梁的三维实体结构进行拓扑优化，提出一套完整的 大跨度横梁的拓扑优化设计方法，使得横梁的动、静性能满足设计要求。
技术介绍
航空航天、军工、汽车、能源等领域是支撑国民经济增长的主要领域，高速加工中 心正是上述领域所急需的重要关键装备之一。高速加工中心机床的应用主要集中于航空航 天、军工、汽车、能源等领域的关键零部件生产。高速加工中心组成的高速、高效柔性生产线 更为上述重大领域的批量相似件以及大规模零部件的生产提供了高效、可靠的自动化加工 装备。因此研制具备较高精度和可靠性的高速加工中心对于我国的装备制造业的发展和航 空航天、军工、汽车、能源等行业的振兴以及我国机床行业产品的结构调整都具有重要的战 略意义。目前，我国各行业所需的高速加工中心都需要从国外大批量的进口。但是自20世 纪90年代以来，高速加工中心的进口受到了工业发达国家的限制，其中尤其以航空航天和 军工制造等命脉行业为重点封锁对象。这样就使我国航空航天和军工制造行业的发展受到 了巨大限制。另外，凡进口到我国的高速加工中心的价格都十分昂贵，很大程度上限制了我 国汽车、能源等核心制造行业的发展速度，严重影响了我国国民经济的高速发展。综上所述，开发具有当前国际先进水平的高速加工中心，并解决相关的关键技术 难题，有利于我国尽快掌握高速加工中心的关键技术，尽早的形成产品的系列化和批量化 生产能力；可以彻底改变我国高速加工中心长期受工业发达国家进口限制的现状；不但可 以提高企业的技术创新能力，增强我国航空航天、军工、汽车、能源等核心行业的竞争力，而 且对保障国防安全等国家重大战略目标的实现和进一步提升国民经济的整体水平方面具 有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是对高速立式加工中心大跨度横梁进行拓扑优化设计， 提供一套完整的大跨度横梁结构拓扑优化的具体实施方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下该方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成。(一 )前期基础分析前期基础分析的目的是掌握原有横梁的静、动态特性，找出静、动性能相对薄弱的 部分，并以此为基础对横梁进行结构拓扑优化。前期基础分析采用有限元分析法，对横梁的 计算机仿真模型进行静、动态仿真分析。静态分析中的载荷、约束、材料属性的参数均由实 验采集或计算机计算获得，保证了数据的准确性。前期基础分析主要包括⑴模型简化由于横梁为结构铸件，其实体模型当中必然存在大量铸造圆角、工艺孔及螺纹孔， 因此在建立有限元模型的过程中，必须进行模型简化。其原则为去除不必要的定位装配结 构，包括去除模型当中所有的倒角；去除直径小于IOmm的孔；去除高度小于IOmm的凸台； 简化半径小于IOmm的圆弧结构；去除不直接受力部位的空洞等定位装配结构。(2)网格划分网格划分是建模中非常重要的一个环节，它将几何模型转化为由节点和单元构成 的有限元模型。在网格划分前先定义材料的属性，网格划分原则为结构简单部分采用自 由网格划分；结构复杂部分采用切割法进行逐步划分；接触面位置和载荷位置进行网格细 化；映射面网格划分允许在面上生成结构网格。(3)边界条件设置边界条件完全模拟真实环境中的约束情况，依据不同工件的不同工作特点，同时 施加一种或几种约束。主要采用的约束方法有固定约束，使被约束表面或实体完全固定； 位移约束，可分别限制x，Y，z方向的自由度；压缩约束，该约束只承受压缩应力；圆柱约束， 可分别限制径向、轴向、切向自由度。⑷静态分析静态分析是计算在固定不变的载荷作用下机械结构的效应，不考虑惯性和阻尼的 影响。静态分析所施加的载荷包括①外部施加的作用力和压力；②稳态的惯性力(如重力 和离心力)；③位移载荷；④温度载荷。静态分析结果应该包含工件的χ、γ、ζ三个方向和总 体的受力变形及应力分布情况。(5)动态分析动态分析包括模态分析和谐响应分析。模态分析是研究无阻尼的自由振动，得到 振动系统的固有特性，即固有频率和振型及振动应力。谐响应分析主要用来分析持续的周 期载荷在结构系统中产生的持续的周期响应(谐响应)，以及确定线性结构承受随时间按 正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳定响应。( 二)拓扑优化设计拓扑优化设计依据前期基础分析所得的结果，针对横梁的特点，对其进行结构拓 扑优化。本拓扑优化的主要思路为采用密度法，以体积分数响应为约束函数，以静态应变能 响应为目标函数。结构拓扑优化由两部分组成(1) 二维结构拓扑优化。(2)三维结构拓 扑优化。高速立式加工中心横梁跨度大，结构复杂，所以先对横梁的横截面进行平面拓扑优 化，并在此基础之上进行三维结构拓扑优化。两种优化方法的结合使用，确保最终结果的准 确性。其中，体积分数计算公式为Vf(1)K式(1)中，Vf为体积分数，V为当前迭代的总体积，Vu为初始非设计域体积，V0为 初始设计体积。静态应变能计算公式为C = -Ut f = -uTKu = - SrOdV (2)2 2 2J式⑵中，K为系统的刚度矩阵，f为载荷，U为载荷f作用下的节点位移矢量，ε 为载荷f作用下的应变，σ为应力，V为设计材料的总体积。本专利技术的有益效果是根据高速立式加工中心横梁的特点，提出一套完整的大跨度 横梁结构拓扑优化方法，可提高该类型横梁的优化效率。对高速立式加工中心横梁采用分 步优化的方法，分别进行二维拓扑优化和三维拓扑优化，对两种结果进行综合，确保最终优 化结果的准确、可靠。在进行拓扑优化分析前后均对横梁进行计算机仿真和实验分析，可进 一步确保优化结果的可用性。附图说明图1是本专利技术的横梁JΞ维结构模型。图2是本专利技术的横梁^黄截面有限元模型。图3是本专利技术的横梁:二维拓扑优化结果。图4是本专利技术的横梁J三维拓扑优化模型。图5是本专利技术的横梁J三维拓扑优化结果。图6是本专利技术的横梁JΞ维创新模型。图中1载荷施加点；2载荷施加点；3ΥΖ自由度约束点4X自由度约束点；5ΥΖ自由度约束点；6ΥΖ自由度约束点7YZ自由度约束点；8ΥΖ自由度约束点；9ΥΖ自由度约束点IOX自由度约束点；IlX自由度约束点；12载荷施加点；13载荷施加点；14载荷施加点；15载荷施加点。具体实施例方式下面将结合技术方案和附图详细说明本专利技术的具体实施例。实施例(一)·前期基础分析(1)模型简化高速加工中心横梁为结构铸件，所以依模型简化原则，去除模型当 中所有的倒角，去除直径小于IOmm的孔和高度小于IOmm的凸台，并去除不直接受力部位的 空洞等定位装配结构。(2)网格划分在网格划分之前，需定义材料特性。横梁材料为铸铁，材料密度 7. 2g/cm2，泊松比0. 28，杨氏模量1. 1E5 MPa。网格划分的具体步骤为首先对整体结构进行 自由网格划分，网格密度参数选择默认值；然后对横梁的约束和载荷施加位置进行网格细 化，将该区域网格密度细化至3倍。最终有限元网格划分单元数为76522，节点数为147932。(3)边界条件设置根据横梁真实环境中的工作情况，主要采用位移约束和圆柱 约束来模拟横梁的边界条件。在横梁与滑块相连接的位置采用位移约束法约束横梁在Y 方向和Z方向上的自由度；在横梁与丝杠相连接的位置采用圆柱约束法约束横梁在X方向 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高速立式加工中心大跨度横梁拓扑优化设计方法，该方法由前期基础分析和拓扑优化设计两部分组成；其特征在于如下步骤：（一）前期基础分析主要包括：（１）模型简化，其原则为去除不必要的定位装配结构，包括去除模型当中所有的倒角；去除直径小于１０ｍｍ的孔；去除高度小于１０ｍｍ的凸台；简化半径小于１０ｍｍ的圆弧结构；去除不直接受力部位的空洞；（２）网格划分，在网格划分前先定义材料的属性，网格划分原则为：结构简单部分采用自由网格划分；结构复杂部分采用切割法进行逐步划分；接触面位置和载荷位置进行网格细化；映射面网格划分允许在面上生成结构网格；（３）边界条件设置，边界条件完全模拟真实环境中的约束情况，依据不同工件的不同工作特点，同时施加一种或几种约束；主要采用的约束方法有：固定约束，使被约束表面或实体完全固定；位移约束，分别限制Ｘ，Ｙ，Ｚ方向的自由度；压缩约束，该约束只承受压缩应力；圆柱约束，分别限制径向、轴向、切向自由度；（４）静态分析，是计算在固定不变的载荷作用下机械结构的效应，不考虑惯性和阻尼的影响；静态分析所施加的载荷包括：①外部施加的作用力和压力；②稳态的惯性力（如重力和离心力）；③位移载荷；④温度载荷；静态分析结果应该包含工件的Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向和总体的受力变形及应力分布情况；（５）动态分析包括模态分析和谐响应分析；模态分析是研究无阻尼的自由振动，得到振动系统的固有特性，即固有频率和振型及振动应力；谐响应分析主要用来分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周期响应（谐响应），以及确定线性结构承受随时间按正弦（简谐）规律变化的载荷时的稳定响应；（二）拓扑优化设计采用密度法，以体积分数响应为约束函数，以静态应变能响应为目标函数；结构拓扑优化由两部分组成：（１）二维结构拓扑优化；（２）三维结构拓扑优化；先对横梁的横截面进行平面拓扑优化，并在此基础之上进行三维结构拓扑优化；两种优化方法的结合使用，确保最终结果的准确性；其中，体积分数计算公式为：Ｖ↓［ｆ］＝（Ｖ－Ｖ↓［ｕ］）／Ｖ↓［０］（１）式（１）中，Ｖ↓［ｆ］为体积分数，Ｖ为当前迭代的总体积，Ｖ↓［ｕ］为初始非设计域体积，Ｖ↓［０］为初始设计体积；静态应变能计算公式为：Ｃ＝１／２ｕ↑［Ｔ］ｆ＝１／２ｕ↑［Ｔ］Ｋｕ＝１／２∫ε↑［Ｔ］σｄＶ（２）式（２）中，Ｋ为系统的刚度矩阵，ｆ为载荷，ｕ为载荷ｆ作用下的节点位移矢量，ε为载荷ｆ作用下的应变，σ为应力，Ｖ为设计材料的总体积...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丛明，赵强，韩滔，杜宇，刘冬，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]
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