基于hyperworks机床立柱结构的优化设计
机床立柱结构动态特性分析及优化设计
216 Unsymm etric法
Unsymmetric 法 用 于 系 统 矩 阵 为 非 对 称 矩 阵 的
问题 。
在大多数分析过程中将选用 Subspace 法 、B lock
Lanczos 法 、Power Dynam ic 法 和 Reduce Householder
法 。Damped 法和 Unsymmetric 法只在特殊情况下才
Abstract: H igh2speed metal cutting has been turned to one of the essentials of modern machine tools. To a high2speed machine tool, it needs to have good dynam ic and static behaviors. Therefore, the research on the dynam ic and static behavior of machine2 building industry has been one of the important step s. App lies FEA ( Finite Element Analysis) to analysis the dynam ic behaviors of one numeric high2speed toolπs vertical pole, then makes an op tim ization2design on it. Key words: FEA; Modal analysis; M achine tool; Stiffness; Structural op tim ization
Structura l dynam ic behav iors ana lysis and optim iza tion2design of a mach ine toolπs vertica l pole
车铣复合加工中心Y轴立柱的受力分析及结构优化
车铣复合加工中心Y轴立柱的受力分析及结构优化苏宏志;李文祥;王建军;李小飞【摘要】在车铣复合加工中心Y轴立柱建模基础上,利用Solidworks Simulation 对模型进行有限元仿真和分析,完成了对立柱的结构优化设计,通过对机床的实际应用,证明了该有限元仿真和分析方法是一种有效的设计手段.%Based on modeling the Y-axial column of lathe-mill cutting center, the finite element simulation and analysis on this model is conducted with the Solidworks Simulation in this paper, and the structural optimization design of column is com-pleted. Through the practical application of the machine tool, it shows that the method of finite element simulation and analysis is an effective design means.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】2页(P23-24)【关键词】Y轴立柱;有限元仿真;结构优化【作者】苏宏志;李文祥;王建军;李小飞【作者单位】陕西工业职业技术学院数控工程学院,陕西咸阳 712000;宝鸡机床集团有限公司,陕西宝鸡 721013;宝鸡机床集团有限公司,陕西宝鸡 721013;宝鸡机床集团有限公司,陕西宝鸡 721013【正文语种】中文【中图分类】TG659复合化是数控机床一个普遍发展趋势,在现代机械加工中复合化数控机床发挥着愈来愈大的作用[1]。
车铣复合加工中心具有多轴联动功能,机床动力刀架配合Y轴移动能实现强力铣削,Y轴立柱作为动力刀架的一个重要支撑零件,必须对其进行最优化设计以减少机床在强力切削时的振动,使加工零件获得较高的加工精度和很好的表面粗糙度。
基于有限元分析的卧式加工中心立柱优化设计
基于有限元分析的卧式加工中心立柱优化设计作者：陈冉毕岩来源：《智能制造》 2018年第2期基于SolidWorks Simulation 有限元分析，通过对HMC80e 产品的立柱进行静、动态特性分析，根据立柱的最大变形量和一阶固有频率为基础，找出立柱的薄弱部分进行优化设计，并对比分析，在保证立柱刚度及固有频率的基础上显著地减小了立柱的质量，提高机床性能，降低系统成本。
一、引言HMC80e 卧式加工中心采用双交换工作台，既可加工较大零件，又可分度回转加工。
适用于多工作面零件多工序加工，还特别适合于箱体孔的调头镗孔加工，广泛应用于汽车、内燃机、航空航天、家电和通用机械等行业。
二、立柱静、动态特性分析图1 为HMC80e 整机结构布局，其主要铸件为床身、立柱和主轴箱。
主轴箱和立柱通过直线导轨连接，由丝杠驱动沿立柱上下移动，作为主轴箱的主要支撑部件和承载部件，立柱的静动态性能将会影响到刀具，进而影响到加工中心的加工精度和机床的稳定性。
若立柱重量过大，其自身惯性会直接降低机床的响应速度，加速时间以及快移速度都会受到影响。
因此，在保证其静动态性能的前提下对立柱进行减重，可提高机床的响应速度以及运行速度，亦可降低机床的生产成本。
该立柱的简化实体模型如图2 所示，材料选择HT300灰铸铁。
其强度高、耐磨性好。
立柱高度为2200mm，宽度为870mm，顶部厚度为115mm，底板厚度为80mm，外壁板厚度为30mm，内部筋板厚度为20mm，总重量为2.1t。
内部结构如图3 所示。
1. 立柱静态结构分析图4 为当主轴箱在行程中点时，立柱和主轴箱组合简化模型，对此模型进行静态分析。
主轴端部分别沿坐标轴X 、Y 和Z 向施加10000N 的力，在立柱的底部施加固定约束，运用SolidWorks Simulation 软件分析立柱在切削力作用下的应力和位移（图5、图6）。
表1 为分析结果，从计算结果可以看出，立柱的最大应力1.392MPa ＜ 250MPa（材料的屈服极限），可见立柱刚性足够。
立式加工中心立柱结构分析与优化
SolidWorks 模型进行模型简化，删除倒角、孔洞等影响不大但
柱的整体结构和筋板分布拓扑优化可以达到刚度提高和轻
表 面 复 杂 的 特 征 ， 导 入 AN⁃
量化。
限元分析，假定所有材料密度均
况。应力分布较为均匀，局部单元应力集中，说明整体网格
SYS-workbench 中 对 模 型 进 行 有
structure was optimized and compared with the original structure. The scheme can meet the working conditions and reduce the weight. The structure with the
对优化后的结构再施加工作状态的约束和载荷，对立柱
表2
态多目标优化[J]. 机械工程学报,2011(11):125-133.
0.011 3
-3.5
需要确定的强度和刚度要求。其基本参数参考如表 1 所示。
2020 年 11 月
机 电 工 程 技 术
表1
式中： F x 为进给时 x 方向受力， F y 为进给时 y 方向受力， F z
立式加工中心基本参数
参数
为进给时的 z 方向力受力。
将相关参数代入得： F x =1 330， F y =3 600， F z =2 216。
[7] 孙晓辉,丁晓红.结构多目标拓扑优化设计[J]. 机械设计与研
最大应力 /MPa
优化后立柱
[4] 崔俊芝.计算机辅助工程(CAE)的现在和未来[J]. 计算机辅助
京:机械工业出版社,2004.
优化前后参数对比
7.019
机械设计与制造,2014(3):117-119.
机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用
3、机床结构设计方法
3.1设计理念
机床结构的设计理念应考虑以下因素：稳定性、可靠性、精度、刚度、抗振 性、热特性等。在满足这些基本要求的前提下，还需考虑加工效率、操作方便性 及成本控制等方面。
3.2结构分析
结构分析是机床结构设计的重要环节，其主要目的是发现和解决结构中的问 题，优化设计方案。结构分析包括静态分析、动态分析、模态分析和热态分析等。
机床结构设计方法是一个复杂而重要的过程，需要综合考虑多种因素，包括 稳定性、可靠性、精度、刚度、抗振性、热特性等。还需兼顾加工效率、操作方 便性和成本控制等方面的要求。 （2）立柱作为机床结构中的重要支撑部件，其 设计的优劣直接关系到机床的性能和稳定性。
本次演示采用有限元分析方法对立柱进行结构设计，并对其在不同工况下的 应力、应变和振动特性进行模拟分析，进而提出针对性的结构优化措施。这些优 化措施在实际应用中取得了良好的效果，说明有限元分析方法对立柱结构设计具 有重要指导作用。
方法验证与结果分析
为验证上述组合机床计算机辅助结构方案设计方法的可行性和有效性，我们 进行了一系列实验。实验中，我们将该方法应用于实际组合机床的设计中，并对 其性能和稳定性进行了评估。评估标准主要包括：设备的加工精度、生产效率、 故障率等。实验结果表明，该方法可以有效提高组合机床的性能和稳定性，降低 了设备的故障率，证明了该方法的实用价值。
2、设计参数选择
在组合机床的结构方案设计中，需要选取一系列设计参数，如传动系统参数、 切削参数、液压系统参数等。这些参数的选择将直接影响到组合机床的性能和稳 定性。因此，需要基于大量的设计经验和实验数据，选择合理的设计参数。
3、结构优化算法
在组合机床的结构方案设计中，结构优化是提高设备性能和稳定性的重要手 段。本次演示采用遗传算法进行结构优化，该算法具有全局搜索能力强、能处理 多目标优化问题等优点。通过遗传算法，可以对组合机床的结构进行优化设计， 以获得更好的性能和稳定性。
基于HyperWorks的结构优化设计技术教学设计
基于HyperWorks的结构优化设计技术教学设计简介在工程领域，为了满足不同的工程要求并提高工程效率，工程师需要利用计算机辅助工具进行结构优化设计。
结构优化设计技术是目前计算机辅助工程领域中的一个重要研究方向。
在结构优化设计中，HyperWorks是一个重要的工具，它提供了多种优化方法，如拓扑优化、尺寸优化、形状优化等，使设计人员能够通过计算机快速地得到最优的结构设计方案。
本文将介绍基于HyperWorks的结构优化设计技术教学设计，主要包括教学目标、教学内容和教学方法等方面。
教学目标本教学设计的主要目标是：1.介绍HyperWorks的结构优化设计方法和工具；2.学习和掌握HyperWorks中常用的结构优化方法；3.能够利用HyperWorks进行结构的优化设计；4.熟悉如何利用计算机进行结构优化设计，提高工程师的工作效率。
教学内容本教学设计的内容主要包括以下几个方面：第一部分：HyperWorks的简介本部分主要介绍HyperWorks的基本概念和功能，包括软件的界面和主要功能模块。
为学习学生提供HyperWorks的基础入门。
第二部分：结构优化设计方法本部分主要讲解结构优化设计的主要方法和技术，包括几何构型优化、拓扑优化、尺寸优化和形状优化等。
第三部分：结构优化实例分析本部分主要介绍结构优化的实例，让学生了解应用实例，学会如何利用HyperWorks进行结构优化设计。
教学方法本教学设计主要采用的是课堂教学相结合的方法。
1.讲授部分：通过讲解HyperWorks的基本概念和功能、结构优化设计方法和HyperWorks中常用的结构优化方法来介绍HyperWorks的结构优化设计技术；2.实例分析：通过结构优化的实例分析来让学生掌握HyperWorks进行结构优化设计的方法；3.实践操作：通过结构优化设计的实践操作来让学生熟悉利用计算机进行结构优化设计。
结论基于HyperWorks的结构优化设计技术教学设计包括HyperWorks的基础入门、结构优化设计方法、结构优化实例分析和实践操作四个部分。
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究近年来，随着工业自动化水平的不断提高，数控机床已成为制造业中不可或缺的重要设备。
而数控机床的结构强度、刚度对其加工精度、工作稳定性、寿命等方面也有着非常重要的影响。
本文旨在对数控机床立柱结构进行有限元分析和优化设计，以改善其结构强度和刚度，并提高其工作性能和使用寿命。
首先，本文选取了一台普通铣床的立柱结构作为研究对象，并通过Pro/E建立其三维CAD模型。
然后，利用ANSYS软件对立柱结构进行有限元分析，模拟其在静载荷作用下的应力和位移分布情况，并得出其结构强度和刚度等参数。
分析结果显示，立柱底部的最大应力较大，且刚度较低，易出现变形、破裂等问题，限制了机床的工作性能。
基于有限元分析的结果，本文进一步对数控机床立柱结构进行优化设计。
通过增大立柱的底部尺寸、增加立柱的挡板数量和加厚立柱壁板等措施，有效地提高了立柱的结构强度和刚度，并减小了其变形和破损等可能引起的损伤。
此外，在优化设计中采用了目标函数法对多个优化参数进行协同优化，最终得出了一组最优设计方案，使机床的工作性能得到了显著提升。
最后，本文对优化设计结果进行了验证。
将最优设计方案制造出来，并进行实际测试。
结果表明，设计方案得到的立柱结构强度和刚度均大幅提高，变形和破损等问题明显缓解，提高了机床的加工精度、工作稳定性和使用寿命，验证了本文优化设计的有效性和可行性。
总之，本文通过有限元分析和优化设计的方法，对数控机床立柱结构进行了改进和优化设计，提高了其强度和刚度等性能，增强了机床的工作性能和使用寿命。
该研究结果不仅对提升制造业的自动化水平具有重要的意义，也为其他相关领域的产品结构设计提供了有价值的借鉴和参考。
对于数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计，需要收集和分析大量的相关数据。
这些数据包括材料力学性能参数、结构尺寸、静载荷等等。
下面将对这些数据进行分析。
1. 材料力学性能参数材料力学性能参数对数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计具有直接影响。
基于HyperWorks的数控车床主轴箱结构优化
基于HyperWorks的数控车床主轴箱结构优化张乐平;刘壮;高长水;赵义顺【摘要】This paper focuses attention on the structural optimization of spindle box for CNC lathe with HyperWorks system. Its purpose is to reduce the total weight of spindle box and seek more reasonable distribution of material. In the mean time, its stiff-ness, strength and low natural frequencies remain unchanged. Its static and modal analyses are done. Based on variable den-sity method, mathematical model of topological optimization is built by constraints of spindle hole’ s displacements and four lowe-order natural frequencies, and then the minimum volume is used as objective function to obtain a new structure of the spindle box.%以某型号数控车床主轴箱为对象，以仿真软件HyperWorks为平台，进行结构优化。
优化目标是在保证主轴箱刚性和强度以及模态的固有频率不降低的前提下，尽量减轻主轴箱的质量，并寻求主轴箱材料更合理的分布。
对主轴箱进行了仿真静力和模态分析。
基于变密度法，以主轴孔变形量和前4阶固有频率为约束条件、以主轴箱体积最小为目标函数，对主轴箱进行了结构拓扑优化，得到了新的主轴箱结构。
基于HyperWorks的结构优化设计技术课程设计
基于HyperWorks的结构优化设计技术课程设计一、前言随着科技的发展，结构优化设计技术逐渐成为了结构工程领域中不可缺少的一部分。
为了提高学生的结构优化设计技术理论及实践能力，我校开设了基于HyperWorks的结构优化设计技术课程。
该课程通过引入先进的模拟软件HyperWorks来帮助学生深度理解结构优化设计技术。
本文将介绍该课程的设计目标、内容、教学方法以及评估方式，以期对类似的课程设计提供参考。
二、设计目标本次课程设计的目标是培养学生的结构优化设计技能，通过案例分析和实践操作，使学生深入理解结构优化设计中的关键问题和挑战，并培养学生的职业素养，包括解决问题的能力、合作能力和自学能力。
三、课程内容1.结构优化设计理论：介绍结构优化设计的基本理论、概念、分类和评估方法。
2.结构优化设计工具：介绍HyperWorks的基本操作和相关工具，如OptiStruct、HyperMesh和HyperView等。
3.结构优化设计案例：通过实际案例分析，掌握结构优化设计的整个过程，包括需求分析、建模、分析、优化和评估环节。
4.结构优化设计实践：让学生通过模拟实践，深入了解结构优化设计中的相关技术，如线性和非线性分析、材料建模、约束条件设置和边界条件设置等。
四、教学方法本课程采用理论教学、案例分析和实践操作相结合的教学方法。
1.理论教学：通过讲授结构优化设计的基本理论，帮助学生深度理解优化设计的意义、方法和实现过程。
教师将采用图示、实例分析和课堂互动等方式，引导学生逐步掌握相关知识和技能。
2.案例分析：教师将通过一系列结构优化案例，帮助学生了解实际应用中所面临的挑战和难点，并探索相关解决方案。
通过分析案例，学生将会了解结构优化设计过程中的主要问题及其解决方法。
3.实践操作：本课程还将开展一系列实践操作，通过让学生自行操作HyperWorks，掌握不同优化技术的应用，包括材料优化、拓扑优化和尺寸优化等。
五、评估方式为了评价学生的学习效果及掌握程度，本课程将采用以下评估方式：1.作业评估：教师将安排一系列作业，要求学生对所学的知识进行实际操作，如建模、求解、结果分析等，并对学生的作业进行评估。
基于Hyperworks的平衡轴支架拓扑优化设计_石作维
78计算机测量与控制.2009.17(1) Computer Measurement &Control控制技术收稿日期:2008-05-14; 修回日期:2008-06-30。
作者简介:石作维(1980-),女,贵州遵义人,硕士研究生,主要从事结构优化设计方向的研究。
吕新生(1950-),男,江苏镇江人,教授,硕士生导师,主要从事结构优化、数字化设计以及逆向工程方向的的研究。
文章编号:1671-4598(2009)01-0078-02 中图分类号:T P391 9文献标识码:A基于Hyperworks 的平衡轴支架拓扑优化设计石作维1,居 刚2,吕新生1,张 晔1(1 合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009;2 江淮汽车集团,安徽合肥 230002)摘要:拓扑优化是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化方法,既可用于全新产品的概念设计,又可用于已有产品的改进设计;基于H yperw orks 平台采用变密度法进行重卡平衡轴支架的拓扑优化设计,对优化后的重卡平衡轴支架进行有限元分析,将其应力分布、质量与原设计做比较;研究表明,经拓扑优化后的重卡平衡轴悬轴支架,应力大小大幅度减少,应力分布更加均匀,质量大幅度减少,实现了轻量化,为平衡轴支架结构的改进设计提供了重要的技术信息。
关键词:拓扑优化;重型卡车;平衡轴支架;H yperw ork sHyperworks -based Topology Optimization for Balance -axle BracketsShi Zuow ei 1,Ju Gang 2,Lv Xinsheng 1,Zhang Ye 1(1 Schoo l o f M echanical and A uto motiv e Eng ineering ,H efei U niv ersity of T echnolo gy ,Hefei 230009,China;2 Jiang huai Auto mobile G ro up,H efei 230002,China)Abstract :Topological optimization is a design method,to seek an optimum distrib ution of m aterial according to loading,restrain t and ob jective.With h elp of th e variab le-density method,topology optimization w as carried out for balance-axle brack ets of heavy tru cks b as ed on H yperw ork s platform.T he stress distribution and quality of optimized balance-axle brack et stent finite elem ent analysis are com par ed w ith the origin al design.T he study show s that the stress in the balan ce-axle brack et w as reduced to a great extent,and the distribution of th e stres s was better than before;subs tantial r eduction of quality achieves lightw eig ht.It provides an im portant tech nical message for im -provemen t design of the balan ce-axle b rackets.Key words :topology optim ization;h eavy truck;balan ce-axle b rackets ;H yperw orks0 引言结构拓扑优化又称结构布局优化,是一种根据载荷、约束及优化目标寻求结构材料最佳分配的优化方法,最早可追溯到1854年由M ax well 提出的在给定载荷和材料的条件下求单一轴力元件(桁架)结构最小体积的结构布局原理[1]。
机床结构的优化与受力分析及立柱设计
机床结构的优化与受力分析及立柱设计作者：于文启王刚来源：《科学与财富》2018年第02期摘要：机床结构的研究是提高现代机床精度、精密特征的一个重要途径，分析机床整体结构，进行拓扑优化，在利用结构有限元分析方法，应用在机构的设计中，可以提高机床的设计效率和设计质量，同时对机床驱动受力分析，设计合理的机床结构和立柱机构，保证机床的强度。
关键词：拓扑优化；驱动受力分析；立柱结构1.拓扑优化对于像立式加工中心这种高精密机床的设计，设计内容比较繁琐，控制系统、驱动系统、进给系统、换刀系统等，每个部分的设计都必须严格讨论[1]，机床的设计流程如图1.1。
机床的设计中主要是分为立项、设计、制造、调试与试验，在立项环节是设计目标，制定一个机床的方向，设计是制定机床结构方案和理论分析，对机床进行结构优化、分析与校验，然后是制造机床，生产一个样机，对样机进行试验，调试修改不合理的位置，最后实现大批量生产。
机床的机构优化中包含以下几种：（1）尺寸优化，是在结构和拓扑不变的情况下，改变零件的尺寸或者截面，将零件的厚度或者性能最佳；（2）形状优化，通过分析设计零件最理想的形状和边界，一般骨架位置是对佳优化位置；（3）拓扑优化，这种是对零件内部结构进行优化，是设计零件内部非实体区域的位置和数量，使其零件内部结构和布局以及节点联结最优，如图1.2。
拓扑的方法按照研究对象的不同可以分为分离散体结构和连续体结构，分散体结构包含桁架、骨架等，连续包含二维板壳和三维实体，常见的拓扑优化方法有均匀化方法和变密度方法[2]。
均匀法是在机床结构的材料中引入微结构单胞，通过这个方法，以单胞几何尺寸和空间方位为变量，实现机床结构拓扑优化模型与尺寸优化的同一性和连续性。
变密度法是通过改变单元密度和材料物理属性，它不仅可以采用结构的柔顺度为优化的目标函数，还可以用于特征值优化、柔性机构的优化。
2驱动受力分析不同机床和不同型号的机床，结构也不同，同时机床在工作时候所受的力也不同，机床在切削时候，各部件所受的力最复杂，机床各部件不仅需要承受自身的重力，还需要抵抗外部的载荷和切削载荷。
基于HyperWorks的机床横梁的拓扑结构优化设计
*广东省协同创新与平台环境建设专项（编号：2017B090901015）；江门市2016年度科技计划项目（编号：江科〔2016〕189号）摘要：横梁是机床结构中极重要的承载大件，其性能直接影响对机床的加工质量，同时，也是最具减重潜力的关键件。
采用HyperWorks 软件，以结构柔顺度最小为目标，对横梁进行基于变密度法拓扑优化。
根据优化后的横梁形貌及实际经验对模型进行细节修改，建立横梁最终优化模型。
在ALGOR 中对横梁仿真分析，结果表明：优化后的横梁较原设计在静、动态特性均有所提高，横梁总重量减少28.34％。
关键词：拓扑优化；横梁；HyperWorks ；变密度法；结构柔顺度中图分类号：TG502.3文献标识码：A文章编号：1009－9492(2018)05－0009－04Topology Optimization Design of Machine Tool Beam Basedon HyperWorksZHOU Zhen-cai 1，LI Tong 1，WANG Tian-lei 2，WANG Zhu 2，CHEN Hui-tian 1（1.Guangdong Kejie Machinery Automation Co.，Ltd.，Jiangmen 529030，China ；2.College of Information Engineering ，Wuyi University ，Jiangmen 529020，China ）Abstract:Crossbeam is a very important load-bearing part in machine tool structure.Its performance directly affects the quality ofmachine tools ，and is also the most important part of weight reduction potential.In this paper ，the HyperWorks software is used to minimize the structural compliance ，and the beam is topologically optimized based on the variable density method.According to the optimized cross beam morphology and practical experience ，the model is modified in detail ，and the final optimization model of the beamis established.The transverse beam is simulated in ALGOR ，and the results show that the optimized crossbeam has higher static and dynamic characteristics compared with the original design ，and the total weight of the crossbeam is reduced by 28.34%.Key words:topology optimization ；cross beam ；HyperWorks ；variable density method ；structural compliance基于HyperWorks 的机床横梁的拓扑结构优化设计*周振财1，李同1，王天雷2，王柱2，陈惠添1（1.广东科杰机械自动化有限公司，广东江门529030；2.五邑大学信息工程学院，广东江门529020）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2018.05.003随着机床向高精、高速方向发展，以及对机床的多样化、多品种、小批量的生产模式的形成，不但对机床动、静态特性要求提高，而且也要求产品开发周期尽可能缩短。
考虑动静刚度的HDM50卧式加工中心立柱的优化设计
２１ ０ １年 ８月
工 程
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｓｇ ｏ ｒ ａ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ
设
计
学 报
Ｖ０ ． ８ Ｎｏ ４ １１ ．
Ａｕ ． ２ １ ｇ ０ １
ＤＯ ：０ ３ ８ ／．ｓｎ ０ ６７ ４ ２ １ ． ４ ０ ２ Ｉ １ ． ７ ５ ｊｉ ．１ ０ — ５ Ｘ． ０ ０ ． ０ ｓ １
考虑动静刚度的 Ｈ Ｍ５ Ｄ ０卧式加工中心立柱的优化设计
伊 召锋 ， 冠锋 ， 国 忠 ， 张 赵 关振 群
（ 连 理 工 大 学 工 程 力学 系 ， 业 装 备 结 构 分 析 国家 重 点 实 验 室 ，辽 宁 大 连 １ ６ ２ ） 大 工 １０ ４
摘 要 ： 柱 是 机 床 加 工 中 心 的 关 键 部 件 ， 结 构 形 式 对 机 床 的 加 工 精 度 有 很 大 影 响 ． 立 其 以提 高 立 柱 动 态 性 能 为 目 的 ， 虑 加 工 中心 的动 静 刚度 性 能要 求 ， 出立 柱 的 优 化 设 计 方 案 ， 立 优 化 设 计 模 型 ． 先 采 用 Ｈｙ ｅＭｅｈ的 优 考 提 建 首 ｐｒ ｓ
ｔ ｒ ｈｉ ｒ ｉ ｌ ｒ ｏｓ ｄ ｏ ｉ ａ ｅ ｉ ｃ ｍ ｅ ｏ ｌａ ｔ ｕｃ ｕｒ ｎｄ ｇａ ｅ ｔ ｐ ｉ ｉａ ｉ ｎ ｍｏ ｅ ，ｔ ｓ ａ ｔｃ ｅ ｐ ｏｐ ｅ ｐｔｍ ｌｄ ｓｇｎ ｓ ｈｅ ｆｐｉｌ ｒｓ ｒ ｔ ｅ ａ ｖ ｈｅ ｏ ｔｍ ｚ ｔｏ ｄ—
化 模 块 Ｏ ｔ ｔｕｔ 立 柱 进 行 拓 扑 优 化 ， 到 高 性 能 的 拓 扑 形 式 ， 后 考 虑 可加 工 性 将 立 柱 简 化 为 筋 板 结 构 ， 在 ｐｉ ｒｃ 对 ｓ 得 然 并
基于HyperWorks 的司机室防撞柱的轻量化
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·72·2023年第03期文章编号：2095-6835（2023）03-0072-03基于HyperWorks的司机室防撞柱的轻量化设计高文捷（中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州213000）摘要：以某型内燃机车司机室防撞柱为对象，使用仿真软件HyperWorks建立有限元仿真模型，计算了防撞工况的应力分布。
并在此基础上，分别使用尺寸优化的方法、尺寸与形状联合优化的方法，对模型进行优化设计改进。
联合使用尺寸与形状优化可以较大程度地改善模型的应力水平，并且质量降低了20.7%，达到了轻量化的设计目标。
关键词：防撞柱；有限元；轻量化；HyperWorks中图分类号：TU623.5文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.03.021随着铁路行业的发展，内燃机车的设计趋向于高速重载，机车结构轻量化也成为重要的关注点。
机车轻量化可以降低轴重、降低牵引功率、减少能耗、提升运行品质、降低制造成本。
机车轻量化一般从2个方面入手：①使用强度高、质量轻、性能优异的新型材料代替传统的碳钢材料，但会导致制造成本的增加；②通过合理的结构设计和布局，在满足机车使用要求的前提下，降低材料的使用量。
传统的结构轻量化，通常由设计师根据经验，参照有限元应力结果进行结构的调整，更改零件的尺寸和局部的细节，然后再进行仿真分析验证，通过优化—仿真—优化这样一次次的循环尝试，得到最终的结构轻量化模型。
轻量化的过程是反复且冗长的，工作效率低下，设计周期增加，这种方法具有很大的主观性和局限性。
随着计算机辅助工程的发展，结构优化技术日益成熟，并且应用广泛。
尺寸优化和形状优化是仿真软件HyperWorks的优化模块OptiStruct提供的优化方法，应用于产品的详细设计阶段，是关于模型细节方面的优化设计。
尺寸优化通过改变结构单元的属性，如壳单元的厚度、梁单元的横截面属性、弹簧单元的刚度等，以达到应力、质量、位移或者其他的设计要求；形状优化通过修改结构的几何边界，得到结构的最佳形状以减小应力集中，改善力学性能，增加构件刚度[1]。
XHGS256龙门加工中心立柱的多目标拓扑优化
1 引言
XHGS256 数控龙门加工中心采用双立柱结构，立柱作为龙门 加工中心关键受力部件，起着支撑横梁、滑枕、主轴箱以及连接床身 的作用。其静、动态性能对机床的加工精度，抗振性能以及使用寿命 有着直接影响，因此有必要对其进行科学可行的分析计算。考虑到 该加工中心有着较高的技术水平及严格的设计标准，运用传统的经 验及类比设计方法已远不能满足其高精度技术指标要求[1]。随着人 们对有限元分析及拓扑优化的不断重视，研究人员在以柔度或频率 等为目标函数的单目标拓扑优化问题上进行了大量的研究。但在实 际的工程应用案例中，往往需要对多个目标进行同时优化，单一目 标的拓扑优化很难满足结构的强度要求[2]。文献[3]中通过研究分析
摘 要：为了兼顾龙门加工中心立柱结构具有更高的静动态刚度和更轻的重量的要求，基于 SIMP 变密度法拓扑优化理 论，结合平均频率公式对各优化目标进行折衷化处理，并利用层次分析法选定子目标权重，建立了以立柱结构的相对密 度为设计变量，同时考虑最小柔度和最大频率的多目标函数，并将结构体积的百分数作为约束函数对其进行优化得到新 的立柱结构方案。结果表明：改进后的立柱质量减少 8.96%，最大变形降低 38.63% ，一阶固有频率提高 6.87%，满足设计 指标要求。 关键词：龙门加工中心；SIMP 变密度法；拓扑优化；层次分析法；多目标；立柱 中图分类号：TH16；TH122 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆园18）06-0021-04
Multi-Objective Topology Optimization for the Pillar Structure of XHGS256 Gantry Machining Center
GUAN Ying-jun1，JIA Cheng-ge1，LI Wei1，BI Hai-feng2
机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用
机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用首先，机床结构设计的方法有很多种，常用的有以下几种：1.经验法：这种方法是根据设计人员的经验和以往的实际案例进行设计，具有简单、快速的优点。
但是这种方法没有理论指导，容易出现设计失误。
2.试验法：这种方法是通过试制样机进行测试，不断改进和优化设计。
这种方法具有直观、可靠的优点，但是试验成本较高，也可能导致设计周期较长。
3.理论分析法：这种方法是通过理论计算和仿真模拟来进行设计，可以预测机床结构的性能，并进行优化。
这种方法具有科学、可控的优点，但是需要大量的计算和测试数据来支持。
在机床设计中，立柱是机床结构中承受最大载荷的部件之一，其设计关系到整个机床的稳定性和刚性。
立柱的设计应考虑以下几个方面：1.轴向刚度：立柱应具有足够的刚度来抵抗加工过程中的切削力和振动力，以确保加工精度和表面质量。
在设计过程中，可以通过选择合适的材料和结构形式来提高立柱的刚度。
2.振动特性：立柱应具有良好的振动特性，避免共振现象的发生。
在设计过程中，可以采用抑制振动的手段，如增加结构的质量和使用减振材料等。
3.剛性和耐用性：立柱应具有足够的刚度和强度，以承受加工过程中的大冲击载荷。
在设计过程中，应严格按照材料的强度和刚度要求进行计算和选择。
4.结构优化：通过经验法、试验法和理论分析法相结合，进行结构优化，以达到最佳的设计效果。
可以采用有限元分析等方法对立柱进行应力分析和刚度优化，以实现结构的轻量化和刚性的平衡。
总之，机床结构设计是机床制造中的重要环节，对机床的性能和使用寿命起到决定性的影响。
立柱作为机床结构中最重要的部件之一，其设计需要考虑刚度、振动特性、耐用性和结构优化等方面。
在设计过程中，可以采用经验法、试验法和理论分析法相结合的方法，以达到最佳的设计效果。
基于动态性能的坐标机桥框立柱结构优化设计
基于动态性能的坐标机桥框立柱结构优化设计张红涛;陈冰冰;闫如忠【摘要】从坐标机桥框结构的动态性能出发,利用有限元软件ANSYS workbench 对坐标机桥框结构进行动力学分析,同时考虑到了螺栓结合面与气浮轴承结合面的刚度,最大程度保证了分析的可靠性.从动力学分析结果得出立柱结构是影响桥框结构动态性能的关键部件的结论.利用Hyperworks软件对立柱结构进行拓扑优化确定初步设计结构,再对其进行尺寸参数优化确定了最终结构.通过与原始结构性能的对比,发现优化后的立柱结构总质量较原始结构减小了20.5%,一阶固有频率提高了60.79%,二阶固有频率提高了34.02%,优化结果比较理想.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2018(040)005【总页数】5页(P133-137)【关键词】坐标机;立柱;动态性能;结构优化【作者】张红涛;陈冰冰;闫如忠【作者单位】东华大学机械工程学院,上海 201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言移动桥式三坐标测量机，以简单、紧凑、较好的刚度等优点而具有比其它结构形式更为广泛的应用。
其中桥框是测量机中最为关键的受力构件，它的强度和刚度直接影响了测量机的精度以及寿命。
以往的基于强度的设计计算难以得到最佳的动态性能，无法确保测量机具有最佳的工作性能，在整体重量上以及动态性能上还具有很大的优化空间。
因此，对桥框中的部件进行精确、合理、科学的计算对测量机结构设计而言具有十分重要的意义。
在众多的机床与测量设备的结构件性能优化的研究中，多数学者只停留在对结构的单件进行优化，并且优化的方式多是通过类似结构的比对、经验设计等，这样的方式不仅缺乏详细的结构设计流程以及理论依据支撑，而且缺乏对动态性能的分析和优化[1～4]。
现代设计方法中，基于有限元仿真的动态设计方法得到了广泛的认可。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
０ 引言
机 床 是现 代基 础 制 造 业 中不 可 或 缺 的机 加 工
设 备 ，立 柱 作 为 机 床 重 要 部 件 之 一 ，其 结构 的合 理 性 将 影 响 实 际 的 加 工 质 量 。 通 常 立 柱 上 设 有 主 轴 箱 和 刀 库 系统 ，导 致 立 柱 承 受 一 定 的弯 曲力 矩 ，因 此 通 过 对 立 柱 进 行 静 、动 态 分 析 ，改 善 其 结 构 ，对 提 高 机 床 的加 工 精 度具 有 重要 意 义 ｎ 】 。
务Ｉ 匐 似
来 回运行 （ 绕 线孔 绕线 ６ 次 后绕 把 完成 ），从 而完
中图分 类号 ：Ｔ Ｈ １ ６ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ －０ １ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ （ 下） － ０ ０ ０ ９ －０ ３
Ｄ ｏ ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ Ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ９ － ０ １ ３ ４ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ９ （ 下） ． ０ ４
１ ． ２ 有 限元模 型 的建立
１ ． ２ ． １材 料特性 将ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 中建立 的 模 型导 入ＡＢ ＡＱＵＳ 有 限 元 分析 软 件 ，立柱 的材 料 采用ＨＴ ３ ０ ０ ，查 阅手 册材
其中Ｐ ＝ ５ ． ５ Ｋ Ｗ， ＝ ０ ． ９ ７ ，ｎ ＝ ４ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ，
比 ，立 柱 的静 刚度和 动 刚度提 高 的 同时降 低 了立柱
庶廛
图 １ 立 柱 整 体 结 构 图 图２ 立 柱 剖 面 图
料 密 度 Ｐ＝７ ． ２ × １ ０ 。 ／ ｍ ， 弹 性 模 量
Ｅ ＝ １ ３ ５ ０ ０ ０ ＭＰ ａ ，泊 松 比ｖ ＝ ０ ． ２ ７ 。查询 质 量 可 得 到
算 得 Ｔ＝１ ３ Ｎ・ ｍ 。建 模 时 并 不 将 刀 库 和 主 轴 箱 画 出 ，用 参 考 点 表 示 这 些 实 体 的 质 心 ，将 力施 加 在 参考 点上 ，参 考 点与 相关 面耦 合进 行分 析 。
收 稿日期：２ ０ １ ３ － ０ ５ － ２ ３ 作 者简介：安永 乐 （ １ ９ ８ ８一），男 ，山东德州人 ，硕士研究生 ，主要从 事机械设 计和 限元分析方面的学 习和研 究。 第３ ５ 卷 第９ 期 ２ ０ １ ３ —０ ９ （ 下） ［ ９ １
分 析 ，得 到 优 化 前 结 构 的 基 频 率 ，立 柱 最 大静 态 位 移 们 。
１ － ２ ＿ ２ 边界条件 的设 置 立 柱 通 过 底 面 的 螺钉 固 定 在床 身 上 ， 在 进 行 分 析 时 约 束 底 面 的 六 个 自 由 度 即 可 。 需 要 施 加 的 力 包 括 刀 库 重 力 ，主 轴 箱 重 力 ， 切 削 力 Ｔ。通 过ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 软 件计算得 到刀库重力为２ ０ ０ Ｋｇ ， 主 轴 箱 重 力为 １ ６ ５ Ｋｇ ，刀 库 重 心 到 立 柱 端 面 距 离 Ｌ ＝ ５ ５ ０ ｍｍ，Ｚ 轴 结构 到立 柱 端面 距 离Ｈ＝ ４ ０ ０ ｍｍ。
目前 国 内对 机 床 立 柱 优 化 分 析 的结 果 主 要 集 中在
增 加 壁 厚 、筋 板 厚 度 以及 改变 筋 板 布 局 来 提 高 其 静 和动 态性 能 ，导 致 立柱 质 量 增 加 】 。本 文通 过 ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 对 某 一 型 号 攻 钻 机 床 立 柱 进 行 拓 扑 优 化 ，得 到 一 种 新 型 立 柱 结 构 ，与 优 化 前 的 结 构 相
ｌ
ｌ Ｉ ５ 化
基于ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 机床立柱结构 的优化设计
Ｔｈｅ ｍ ａｃｈｉ ｎ ｅ ｔ ｏｏｌ ｃｏｌ ｕｍ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕｃｔ ｕｒ ｅ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａｔ ｉ ｏｎ ｄｅｓ ｉ ｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙｐｅｒ ｗ ｏｒ ｋ ｓ
对于 切 削力Ｔ，可通 过 以下公 式计 算 ：
＝
１ ． １ 几何 模型 的建 立
立 柱 结 构 复 杂 ，在 不 影 响分 析 精 度 的 情 况 下
去 除原 立 柱 的 圆 角 、 凹 槽 和 安 装 孔 等 几 何 特 征 ， 通过ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 对 立 柱进 行建 模 ，其 结 构 如 图 １ 、 图２ 所示。
质量 为０ ． ５ ２ ６ Ｔ。通过 设置 对立 柱进 行模 态分 析得 到
其 基 频 特 性 ，对 立 柱 进 行 静 力 分 析 得 到 其静 态变
形 供 一定 的理论 依据 。
１ 原机床立柱 的有 限元分析
本 文应 用ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 软件 对原 机 床立 柱进 行 有限 元
安永乐，李东波，徐良凯
ＡＮ Ｙ ｏ ｎ ｇ － ｌ ｅ ， Ｌ ｌ Ｄｏ ｎ ｇ － ｂ ｏ ， ＸＵ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ． ｋ ａ ｉ
（ 南京理工大学 机械工程学院 ，南京 ２ １ ０ ０ ９ ４）
摘 要 ： 机 床立柱是机床重要的结构件之一 ，对机床各方 面工作性 能与指标 起着决定性作 用。本文针对 某一型号攻 钻机床 的立柱通 过ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ 对其结 构优化 ，应 用ｃ ａ ｔ ｉ ａ 软件将优 化结果重新建 模 ，并且采 用ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 软件对重新 建模的结构 进行分析验证 。与优化前 的结 构相 比，立柱 的静 刚度和动刚度提高的同时降低 了其质量 ，为机床 后续 改进 奠定基础 。 关键词 ：立 柱 ；ｈ ｙ ｐ ｅ ｒ ｗｏ ｒ ｋ ｓ ；结构优化 ；Ａ Ｂ ＡＱ Ｕ Ｓ