一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法，包含机床床身内部结构的拓扑优化及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化，机床床身内部结构的拓扑优化包含以下步骤：建立床身三维CAD模型；确定拓扑优化区域和非拓扑优化区域；建立拓扑优化的有限元模型；确定边界条件；确定优化目标和约束条件，建立拓扑优化的有限元模型；其中，机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包含以下步骤：根据拓扑优化结果，建立床身的参数化有限元模型；设计样本点；确定优化目标和约束；样本点有限元分析提取优化目标和约束在各样本点的值；建立优化目标和约束的代理模型；多目标优化问题的求解。本发明专利技术实现对机床床身内部结构进行优化，并且节约时间。

An optimization design method for internal structure of composite machine tool bed

The invention discloses a method for optimizing the internal structure of a composite machine tool bed, which comprises topological optimization of the internal structure of the machine bed and multi-objective optimization of the thickness and height of the ribs of the machine bed. Non-topological optimization region; Finite element model of topological optimization; Boundary conditions; Optimization objectives and constraints are determined; Finite element model of topological optimization is established; Multi-objective optimization of the thickness and height of machine tool bed ribs includes the following steps: According to the results of topological optimization, the parameterization of machine bed is established. Finite element model; design sample points; determine the optimization objectives and constraints; sample point finite element analysis to extract the optimization objectives and constraints in the value of each sample point; establish the optimization objectives and constraints of the proxy model; multi-objective optimization problem solving. The invention realizes the optimization of the internal structure of the lathe bed and saves time.

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法
本专利技术涉及一种优化设计方法，具体涉及一种机床床身内部结构优化设计方法。
技术介绍
床身作为机床的基础支承件，它起着支承与床身上表面具有配合关系的机床部件重量以及加工工件重量的作用。床身的变形将直接引起床身所支承的部件发生倾斜，影响加工零件的质量，尤其在精密机床中，床身的变形显得更为重要，因此床身的设计成为机床制造企业的关键技术。现在仍有相当一部分机床制造企业设计床身的方法沿用传统的经验设计和仿造的方法，为了达到预期的目标，不计成本，同时设计出的床身也存在清砂困难的问题。因此，为了在保证床身承载能力的基础上减少材料，使制造工艺简单便于清砂，需要床身具有较高的刚度，内部筋板布置和尺寸设计更加合理。针对这些需求，可以先利用拓扑优化的方法以刚度为目标，位移、质量为约束，对床身内部结构进行拓扑优化，寻找一个更加合理的筋板布局。为了降低机床床身质量，提高刚度等性能，主要进行床身筋板的布局、形状和尺寸的设计，机床制造企业的设计人员大多采用三维软件建立床身的模型，不断修改筋板结构尺寸，再导入有限元软件进行计算，通过重复上述的步骤，求出最优的尺寸，这种优化方法得出的优化结果存在偶然性，并且需要花费大量的时间，增加了设计人员的劳动强度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种机床床身内部结构优化设计方法，该方法实现对机床床身内部结构进行优化，并且节约时间，设计人员的劳动强度小。为达到上述目的，本专利技术所述的机床床身内部结构优化设计方法包括机床床身内部结构的拓扑优化以及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化；所述机床床身内部结构的拓扑优化包括以下步骤：a1)在三维软件中根据已有的床身模型或者机床床身的二维工程图绘制机床床身的三维CAD模型，再将所述机床床身的三维CAD模型导入到拓扑优化软件中，然后在拓扑优化软件中将所述机床床身的三维CAD模型分为拓扑优化区域及非拓扑优化区域；a2)对所述机床床身的三维CAD模型进行网格划分，建立有限元模型，并根据机床床身的材料设置有限元模型的材料属性，再根据机床床身的安装位置在有限元模型的相应位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小及方向，并将机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；设置制造工艺参数及拓扑优化响应的约束，并定义目标函数，再根据目标函数对有限元模型进行拓扑优化求解，然后根据拓扑优化求解的结果去除有限元模型中的伪密度材料，获得满足目标函数及约束的机床床身内部最优材料分布的概念模型；所述机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包括以下步骤：b1)根据步骤a2)得到的概念模型利用有限元软件的脚本语言建立机床床身的参数化有限元模型，所述参数化有限元模型内的参数变量包括床身筋板厚度和床身筋板高度；b2)根据床身材料设定参数化有限元模型的材料属性，并根据机床床身的实际安装位置，在参数化有限元模型相应的位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向，然后将所述机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到参数化有限元模型上；b3)根据参数变量的范围及个数在保证样本点均匀分布的前提下设计样本点，然后设定质量、应变能及最大变形为多目标优化的目标函数，并设定床身上部的两侧导轨最大变形差为约束函数，在参数化有限元模型中加入目标函数值及约束函数值；b4)通过有限元软件对参数化有限元模型在各样本点处进行分析，从而提取各样本点的目标函数值及约束函数值，然后根据各样本点的目标函数值及约束函数值采用代理模型技术构建目标函数及约束函数的代理模型，然后根据目标函数及约束函数的代理模型使用多目标优化问题算法求解多目标优化问题，得优化解集，用户从优化解集选取所需的机床床身筋板厚度及高度。步骤a2)得到机床床身内部最优材料分布的概念模型为：min:C(x)＝UTKU＝Σe＝1N(xe)pueTkoues.t.M(x)Mo≤fDisp≤sσ≤σ00≤Xmin≤xe≤Xmax其中，C(x)是结构应变能，是拓扑优化前后机床内部的质量比；f是允许的最大拓扑优化前后机床内部的质量比值，Disp是最大位移值，s是允许的最大位移值，σ是应力值，σ0是允许的应力值，xe是设计变量，Xmin是设计变量允许的最小值，Xmax是设计变量允许的最大值。步骤b2)中根据机床工作时各部件之间相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向的具体步骤为：根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷，再根据各部件之间的相互作用载荷的传递关系确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向，所述机床工作时各部件之间相互作用载荷包括重力、切削力、夹紧力、冲击力和热载荷，所述重力为机床床身承受的工件、回转主轴、顶尖立柱、立柱顶尖悬臂及刀具箱的重力。所述优化解集为若干组筋板厚度及高度值对应的质量、应变能及最大变形的值。步骤b4)中所述目标函数及约束函数的代理模型为：minm(x),comp(x),disp(x)s.tΔdisp≤ΔdispmaxX＝(x1,x2,...xn)Xmin≤xi≤Xmax,i＝1,2,...,n其中，m(x)为床身的质量函数，comp(x)为床身的应变能函数，disp(x)为床身的最大变形函数，Δdisp为床身两侧导轨变形差函数，Δdispmax为机床两侧导轨变形差允许的最大值，X为优化设计变量，Xmin为优化设计变量的最小值，Xmax为优化设计变量的最大值，n为优化设计变量的个数。步骤a1)中所述拓扑优化区域为机床床身内部，所述非拓扑优化区域为机床床身外部与机床其他部件具有装配关系的部分。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的机床床身内部结构优化设计方法在对机床床身内部结构优化的过程中，根据概念模型利用有限元软件的脚本语言建立机床床身的参数化有限元模型，从而减少设计人员的劳动强度，节约时间。另外，本专利技术根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小及方向，并将机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到有限元模型上，更加贴近实际工况。同时在对机床床身筋板厚度及高度的多目标优化过程中，设定质量、应变能及最大变形为多目标优化的目标函数，设定机床床身上部的两侧导轨最大变形差为约束函数，然后根据目标函数及约束函数在各样本点的值构建目标函数及约束函数的代理模型，再通过多目标优化算法求解多目标优化问题，得到优化解集，从而将拓扑优化与多目标优化结合起来，使各优化目标更加协调。附图说明图1为本专利技术的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参考图1，本专利技术所述的机床床身内部结构优化设计方法包括机床床身内部结构的拓扑优化以及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化；所述机床床身内部结构的拓扑优化包括以下步骤：a1)在三维软件中根据已有的床身模型或者机床床身的二维工程图绘制机床床身的三维CAD模型，再将所述机床床身的三维CAD模型导入到拓扑优化软件中，然后在拓扑优化软件中将所述机床床身的三维CAD模型分为拓扑优化区域及非拓扑优化区域；a2)对所述机床床身的三维CAD模型进行网格划分，建立有限元模型，并根据机床床身的材料设置有限元模型的材料属性，再根据机床床身本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法，其特征在于，包括机床床身内部结构的拓扑优化以及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化；所述机床床身内部结构的拓扑优化包括以下步骤：a1)在三维软件中根据已有的床身模型或者机床床身的二维工程图绘制机床床身的三维CAD模型，再将所述机床床身的三维CAD模型导入到拓扑优化软件中，然后在拓扑优化软件中将所述机床床身的三维CAD模型分为拓扑优化区域及非拓扑优化区域；a2)对所述机床床身的三维CAD模型进行网格划分，建立有限元模型，并根据机床床身的材料设置有限元模型的材料属性，再根据机床床身的安装位置在有限元模型的相应位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小及方向，并将机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；设置制造工艺参数及拓扑优化响应的约束，并定义目标函数，再根据目标函数对有限元模型进行拓扑优化求解，然后根据拓扑优化求解的结果去除有限元模型中的伪密度材料，获得满足目标函数及约束的机床床身内部最优材料分布的概念模型；所述机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包括以下步骤：b1)根据步骤a2)得到的概念模型利用有限元软件的脚本语言建立机床床身的参数化有限元模型，所述参数化有限元模型内的参数变量包括床身筋板厚度和床身筋板高度；b2)根据床身材料设定参数化有限元模型的材料属性，并根据机床床身的实际安装位置，在参数化有限元模型相应的位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向，然后将所述机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到参数化有限元模型上；b3)根据参数变量的范围及个数在保证样本点均匀分布的前提下设计样本点，然后设定质量、应变能及最大变形为多目标优化的目标函数，并设定床身上部的两侧导轨最大变形差为约束函数，在参数化有限元模型中加入目标函数值及约束函数值；b4)通过有限元软件对参数化有限元模型在各样本点处进行分析，从而提取各样本点的目标函数值及约束函数值，然后根据各样本点的目标函数值及约束函数值采用代理模型技术构建目标函数及约束函数的代理模型，然后根据目标函数及约束函数的代理模型使用多目标优化问题算法求解多目标优化问题，得优化解集，用户从优化解集选取所需的机床床身筋板厚度及高度。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料机床床身内部结构优化设计方法，其特征在于，包括机床床身内部结构的拓扑优化以及机床床身筋板厚度及高度的多目标优化；所述机床床身内部结构的拓扑优化包括以下步骤：a1)在三维软件中根据已有的床身模型或者机床床身的二维工程图绘制机床床身的三维CAD模型，再将所述机床床身的三维CAD模型导入到拓扑优化软件中，然后在拓扑优化软件中将所述机床床身的三维CAD模型分为拓扑优化区域及非拓扑优化区域；a2)对所述机床床身的三维CAD模型进行网格划分，建立有限元模型，并根据机床床身的材料设置有限元模型的材料属性，再根据机床床身的安装位置在有限元模型的相应位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间的相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小及方向，并将机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；设置制造工艺参数及拓扑优化响应的约束，并定义目标函数，再根据目标函数对有限元模型进行拓扑优化求解，然后根据拓扑优化求解的结果去除有限元模型中的伪密度材料，获得满足目标函数及约束的机床床身内部最优材料分布的概念模型；所述机床床身筋板厚度及高度的多目标优化包括以下步骤：b1)根据步骤a2)得到的概念模型利用有限元软件的脚本语言建立机床床身的参数化有限元模型，所述参数化有限元模型内的参数变量包括床身筋板厚度和床身筋板高度；b2)根据床身材料设定参数化有限元模型的材料属性，并根据机床床身的实际安装位置，在参数化有限元模型相应的位置施加自由度约束，然后根据机床工作时各部件之间相互作用载荷确定机床床身承受的载荷位置、大小和方向，然后将所述机床床身承受的载荷位置、大小及方向施加到参数化有限元模型上；b3)根据参数变量的范围及个数在保证样本点均匀分布的前提下设计样本点，然后设定质量、应变能及最大变形为多目标优化的目标函数，并设定床身上部的两侧导轨最大变形差为约束函数，在参数化有限元模型中加入目标函数值及约束函数值；b4)通过有限元软件对参数化有限元模型在各样本点处进行分析，从而提取各样本点的目标函数值及约束函数值，然后根据各样本点的目标函数值及约束函数值采用代理模型技术构建目标函数及约束函数的代理模型，然后根据目标函数及约束函数的代理模型使用多目标优化问题算法求解多目标优化问题...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文亮，
申请(专利权)人：江苏龙胜机床制造有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32