基于拓撲設(shè)計的高速精密數(shù)控車床床鞍多目標優(yōu)化方法研究.pdf

1、機床工業(yè)是裝備制造業(yè)和國防工業(yè)的基礎(chǔ)。高速精密數(shù)控機床應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)度高，在加工制造業(yè)占據(jù)重要地位。床鞍作為高速精密車床關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化與改進對數(shù)控車床加工效率和加工精度的提高具有不可替代的作用。
　　本文結(jié)合國家科技重大專項項目“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”（2012ZX04005-021），以高速精密數(shù)控車削中心 ADGM35床鞍作為研究對象，主要研究了綜合有限元方法、拓撲優(yōu)化方法和多目標優(yōu)化方法為一體的床鞍優(yōu)化設(shè)

2、計方法。
　　首先對車削加工中心進行受力分析，在模擬實際工況的情況下，得到床鞍力學(xué)平衡方程，在此基礎(chǔ)上建立床鞍的力學(xué)模型；基于力學(xué)模型對床鞍受力情況進行分析，得到實際工作中分布在床鞍上合理的載荷條件，為后續(xù)有限元分析、拓撲優(yōu)化分析、多目標優(yōu)化分析提供工作前提。
　　對床鞍進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，首先對床鞍初始構(gòu)型進行動、靜態(tài)性能分析，劃分網(wǎng)格，界定邊界條件，輸入床鞍工作載荷，得到床鞍初始構(gòu)型的動、靜態(tài)性能。設(shè)計試驗流程，布置傳感器

3、，通過模態(tài)試驗得到床鞍初始結(jié)構(gòu)的實際模態(tài)性能參數(shù)，試驗后對床鞍有限元結(jié)果和床鞍試驗結(jié)果進行對比分析，驗證有限元模型的合理性。
　　為提高數(shù)控車削中心床鞍的動、靜態(tài)性能，探究床鞍新型設(shè)計結(jié)構(gòu)，采用基于變密度法的拓撲優(yōu)化方法，以床鞍質(zhì)量最小值為目標函數(shù)，以一階固有頻率最高值為約束條件，建立拓撲優(yōu)化模型，運用變密度法求解，對床鞍進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后基于不同筋板布置的床鞍結(jié)構(gòu)進行對比分析，分析不同筋板布置下床鞍的靜剛度及固有頻率，

4、得到床鞍最佳筋板布置方案，結(jié)果表明拓撲優(yōu)化后床鞍新型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了優(yōu)化要求，并有效地降低了床鞍的最大變形，提高了床鞍結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)性能。
　　在拓撲優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，運用多目標優(yōu)化設(shè)計根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果改進床鞍結(jié)構(gòu)參數(shù)，以床鞍尾架筋板厚度、兩側(cè)凹槽深度、中間凹槽深度以及V形筋板厚度等四個參數(shù)為設(shè)計變量，以床鞍變形最低值，床鞍整體質(zhì)量最低值、一階固有頻率最高值為優(yōu)化目標，建立多目標優(yōu)化模型，并運用多目標遺傳算法求解，達到改進床鞍結(jié)構(gòu)設(shè)計參