一種工具機床身內部結構優化設計方法
2023-07-29 23:37:41
一種工具機床身內部結構優化設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種工具機床身內部結構優化設計方法，包含工具機床身內部結構的拓撲優化及工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化，工具機床身內部結構的拓撲優化包含以下步驟：建立床身三維CAD模型；確定拓撲優化區域和非拓撲優化區域；建立拓撲優化的有限元模型；確定邊界條件；確定優化目標和約束條件，建立拓撲優化的有限元模型；其中，工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化包含以下步驟：根據拓撲優化結果，建立床身的參數化有限元模型；設計樣本點；確定優化目標和約束；樣本點有限元分析提取優化目標和約束在各樣本點的值；建立優化目標和約束的代理模型；多目標優化問題的求解。本發明實現對工具機床身內部結構進行優化，並且節約時間。
【專利說明】一種工具機床身內部結構優化設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種優化設計方法，具體涉及一種工具機床身內部結構優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 床身作為工具機的基礎支承件，它起著支承與床身上表面具有配合關係的工具機部件 重量以及加工工件重量的作用。床身的變形將直接引起床身所支承的部件發生傾斜，影響 加工零件的質量，尤其在精密工具機中，床身的變形顯得更為重要，因此床身的設計成為工具機 製造企業的關鍵技術。現在仍有相當一部分工具機製造企業設計床身的方法沿用傳統的經驗 設計和仿造的方法，為了達到預期的目標，不計成本，同時設計出的床身也存在清砂困難的 問題。因此，為了在保證床身承載能力的基礎上減少材料，使製造工藝簡單便於清砂，需要 床身具有較高的剛度，內部筋板布置和尺寸設計更加合理。針對這些需求，可以先利用拓撲 優化的方法以剛度為目標，位移、質量為約束，對床身內部結構進行拓撲優化，尋找一個更 加合理的筋板布局。
[0003] 為了降低工具機床身質量，提高剛度等性能，主要進行床身筋板的布局、形狀和尺寸 的設計，工具機製造企業的設計人員大多採用三維軟體建立床身的模型，不斷修改筋板結構 尺寸，再導入有限元軟體進行計算，通過重複上述的步驟，求出最優的尺寸，這種優化方法 得出的優化結果存在偶然性，並且需要花費大量的時間，增加了設計人員的勞動強度。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種工具機床身內部結構優化 設計方法，該方法實現對工具機床身內部結構進行優化，並且節約時間，設計人員的勞動強度 小。
[0005] 為達到上述目的，本發明所述的工具機床身內部結構優化設計方法包括工具機床身內 部結構的拓撲優化以及工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化；
[0006] 所述工具機床身內部結構的拓撲優化包括以下步驟：
[0007] al)在三維軟體中根據已有的床身模型或者工具機床身的二維工程圖繪製工具機床身 的三維CAD模型，再將所述工具機床身的三維CAD模型導入到拓撲優化軟體中，然後在拓撲優 化軟體中將所述工具機床身的三維CAD模型分為拓撲優化區域及非拓撲優化區域；
[0008] a2)對所述工具機床身的三維CAD模型進行網格劃分，建立有限元模型，並根據機 床床身的材料設置有限元模型的材料屬性，再根據工具機床身的安裝位置在有限元模型的相 應位置施加自由度約束，然後根據工具機工作時各部件之間的相互作用載荷確定工具機床身承 受的載荷位置、大小及方向，並將工具機床身承受的載荷位置、大小及方向施加到有限元模型 上；設置製造工藝參數及拓撲優化響應的約束，並定義目標函數，再根據目標函數對有限元 模型進行拓撲優化求解，然後根據拓撲優化求解的結果去除有限元模型中的偽密度材料， 獲得滿足目標函數及約束的工具機床身內部最優材料分布的概念模型；
[0009] 所述工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化包括以下步驟：
[0010] bl)根據步驟a2)得到的概念模型利用有限元軟體的腳本語言建立工具機床身的 參數化有限元模型，所述參數化有限元模型內的參數變量包括床身筋板厚度和床身筋板高 度；
[0011] b2)根據床身材料設定參數化有限元模型的材料屬性，並根據工具機床身的實際安 裝位置，在參數化有限元模型相應的位置施加自由度約束，然後根據工具機工作時各部件之 間相互作用載荷確定工具機床身承受的載荷位置、大小和方向，然後將所述工具機床身承受的 載荷位置、大小及方向施加到參數化有限元模型上；
[0012] b3)根據參數變量的範圍及個數在保證樣本點均勻分布的前提下設計樣本點，然 後設定質量、應變能及最大變形為多目標優化的目標函數，並設定床身上部的兩側導軌最 大變形差為約束函數，在參數化有限元模型中加入目標函數值及約束函數值；
[0013] b4)通過有限元軟體對參數化有限元模型在各樣本點處進行分析，從而提取各樣 本點的目標函數值及約束函數值，然後根據各樣本點的目標函數值及約束函數值採用代理 模型技術構建目標函數及約束函數的代理模型，然後根據目標函數及約束函數的代理模型 使用多目標優化問題算法求解多目標優化問題，得優化解集，用戶從優化解集選取所需的 工具機床身筋板厚度及高度。
[0014] 步驟a2)得到工具機床身內部最優材料分布的概念模型為：
[0015]
【權利要求】
1. 一種工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，包括工具機床身內部結構的拓撲 優化以及工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化； 所述工具機床身內部結構的拓撲優化包括以下步驟： al)在三維軟體中根據已有的床身模型或者工具機床身的二維工程圖繪製工具機床身的三 維CAD模型，再將所述工具機床身的三維CAD模型導入到拓撲優化軟體中，然後在拓撲優化軟 件中將所述工具機床身的三維CAD模型分為拓撲優化區域及非拓撲優化區域； a2)對所述工具機床身的三維CAD模型進行網格劃分，建立有限元模型，並根據工具機床身 的材料設置有限元模型的材料屬性，再根據工具機床身的安裝位置在有限元模型的相應位置 施加自由度約束，然後根據工具機工作時各部件之間的相互作用載荷確定工具機床身承受的載 荷位置、大小及方向，並將工具機床身承受的載荷位置、大小及方向施加到有限元模型上；設 置製造工藝參數及拓撲優化響應的約束，並定義目標函數，再根據目標函數對有限元模型 進行拓撲優化求解，然後根據拓撲優化求解的結果去除有限元模型中的偽密度材料，獲得 滿足目標函數及約束的工具機床身內部最優材料分布的概念模型； 所述工具機床身筋板厚度及高度的多目標優化包括以下步驟： bl)根據步驟a2)得到的概念模型利用有限元軟體的腳本語言建立工具機床身的參數化 有限元模型，所述參數化有限元模型內的參數變量包括床身筋板厚度和床身筋板高度； b2)根據床身材料設定參數化有限元模型的材料屬性，並根據工具機床身的實際安裝位 置，在參數化有限元模型相應的位置施加自由度約束，然後根據工具機工作時各部件之間相 互作用載荷確定工具機床身承受的載荷位置、大小和方向，然後將所述工具機床身承受的載荷 位置、大小及方向施加到參數化有限元模型上； b3)根據參數變量的範圍及個數在保證樣本點均勻分布的前提下設計樣本點，然後設 定質量、應變能及最大變形為多目標優化的目標函數，並設定床身上部的兩側導軌最大變 形差為約束函數，在參數化有限元模型中加入目標函數值及約束函數值； b4)通過有限元軟體對參數化有限元模型在各樣本點處進行分析，從而提取各樣本點 的目標函數值及約束函數值，然後根據各樣本點的目標函數值及約束函數值採用代理模型 技術構建目標函數及約束函數的代理模型，然後根據目標函數及約束函數的代理模型使用 多目標優化問題算法求解多目標優化問題，得優化解集，用戶從優化解集選取所需的工具機 床身筋板厚度及高度。
2. 根據權利要求1所述的工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，步驟a2)得到 床床鳥Λ部是優材料4V布的概金臘型為-
M(x) 其中，C(x)是結構應變能，^一是拓撲優化前後工具機內部的質量比；f是允許的最大 M0 拓撲優化前後工具機內部的質量比值，Disp是最大位移值，s是允許的最大位移值，〇是應力 值，σ^是允許的應力值，&是設計變量，Xmin是設計變量允許的最小值，Xmax是設計變量允 許的最大值。
3. 根據權利要求1所述的工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，步驟b2)中根 據工具機工作時各部件之間相互作用載荷確定工具機床身承受的載荷位置、大小和方向的具體 步驟為：根據工具機工作時各部件之間的相互作用載荷，再根據各部件之間的相互作用載荷 的傳遞關係確定工具機床身承受的載荷位置、大小和方向，所述工具機工作時各部件之間相互 作用載荷包括重力、切削力、夾緊力、衝擊力和熱載荷，所述重力為工具機床身承受的工件、回 轉主軸、頂尖立柱、立柱頂尖懸臂及刀具箱的重力。
4. 根據權利要求1所述的工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，所述優化解 集為若干組筋板厚度及高度值對應的質量、應變能及最大變形的值。
5. 根據權利要求1所述的工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，步驟b4)中所 述目標函數及約束函數的代理模型為：
其中，m(x)為床身的質量函數，comp(X)為床身的應變能函數，disp(X)為床身的最大 變形函數，Adisp為床身兩側導軌變形差函數，Λ diSpmax為工具機兩側導軌變形差允許的最 大值，X為優化設計變量，Xmin為優化設計變量的最小值，Xmax為優化設計變量的最大值，η為 優化設計變量的個數。
6. 根據權利要求1所述的工具機床身內部結構優化設計方法，其特徵在於，步驟al)中所 述拓撲優化區域為工具機床身內部，所述非拓撲優化區域為工具機床身外部與工具機其他部件具 有裝配關係的部分。
【文檔編號】G06F17/50GK104239624SQ201410452765
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】王伊卿, 宋元申, 周子超, 王彬, 洪軍, 盧秉恆 申請人:西安交通大學