基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優(yōu)化設(shè)計

2013-05-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 張向宇*熊計*郝鋅*賴人銘來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: Ansys proe 有限元前滑座拓撲優(yōu)化

分析了TH65100臥式加工中心的前滑座,使用proe軟件建立機床前滑座的三維模型。通過proe軟件與ANSYS軟件的嵌套。將proe軟件中的三維實體導(dǎo)進有限元分析軟件ANSYS中,利用ANSYS軟件的靜力分析功能,對進給狀態(tài)下的滑座做有限元計算,并根據(jù)計算結(jié)果校核了滑座的靜強度。使用ANSYS軟件中的拓撲優(yōu)化模塊對滑座結(jié)構(gòu)進行改進。改進后的滑座結(jié)構(gòu)保持了原結(jié)構(gòu)的靜強度和剛度,但比原設(shè)計方案的用料減少了36.95 kg。

根據(jù)設(shè)計變量類型不同,結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以分為:尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓撲布局優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化。近年來,尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化發(fā)展已經(jīng)較為成熟,隨著有限元方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃和計算機的發(fā)展,結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化成為研究熱點。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是在給定的載荷及邊界條件下,確定材料在設(shè)計空間的最優(yōu)分布。按照其研究對象可分為骨架類結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化?。目前國內(nèi)的拓撲優(yōu)化模型一般只能實現(xiàn)二維平面及簡單三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計,研究與應(yīng)用力度不夠,缺少具有求解大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多工況下的設(shè)計平臺。本文針對TH65100臥式加工中心前滑座結(jié)構(gòu)采用連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法,建立前滑座結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化模型,實現(xiàn)完整的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計,為進一步的結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計提供了設(shè)計原型口1。

1 模型的建立

前滑座模型的建立是用三維建模軟件proe建立的。大小與尺寸嚴格按照圖紙尺寸進行,模型如1。

綜合考慮計算精度的影響及有限元模型的計算規(guī)模,根據(jù)圣維南原理,對部分局部特征如倒角(圓)、凸臺、螺釘孔、油孔和水孔等進行了適當(dāng)?shù)暮喕?/P>

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圖1 模型

2 有限元靜力分析

2.1 單元選取與網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖紙,加工中心前滑座的材料為灰鑄鐵HT300,材料為各向同性、介質(zhì)均勻。取其彈性模量E=130GPa;泊松比μ=0.24;密度ρ=。TH65100加工中心前滑座結(jié)構(gòu)復(fù)雜,內(nèi)部有縱橫交錯的筋板,并且有相當(dāng)多的開口、凸臺等特征,表面形狀復(fù)雜,很難用影射網(wǎng)格劃分。由于前滑座中的線、面眾多,難以控制,所以網(wǎng)格劃分采用ANSYS中的智能分網(wǎng)方法(Smart Size)。ANSYS在智能分網(wǎng)控制中將網(wǎng)格精度分為10級,其中默認精度為6級,l級為最精細級,10級為最粗糙級?？紤]到前滑座屬大件結(jié)構(gòu),為了減少單元數(shù)量,提高分析速度,使計算現(xiàn)實可行,可以適當(dāng)降低分網(wǎng)精度,本文中取8~10級。在單元的選取上選用solid45單元。這是一種三維實體單元,每個單元含8個節(jié)點。劃分后前滑座的節(jié)點總數(shù)為17355,單元總數(shù)為30732,網(wǎng)格生成見圖2。

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圖2 前滑座劃分網(wǎng)格后的模型

2.2 約束與加載

由實際測試計算可得,在滑座的表面上有均布力的作用,它的壓強為83542.1888Pa。工作臺的縱向行程為機床的x坐標(biāo)軸,主軸箱垂直于地面的行程是Y坐標(biāo)軸,立柱的橫向進給是Z坐標(biāo)。除此之外,還有一個B坐標(biāo)軸(圖中未標(biāo)出),就是工作臺的回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸,該機床的工作臺是可以360度任意旋轉(zhuǎn)的,約束如圖3所示。

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圖3 滑座的約柬

如圖3所示,在進給狀態(tài)下,兩導(dǎo)軌槽的底面分別限制了滑座在y軸方向的移動自由度和繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度,同時它們還共同限制了滑座繞x軸的旋轉(zhuǎn)自由度,另外,兩導(dǎo)軌槽的側(cè)面則分別限制了滑座在Z軸的移動自由度和繞Y軸的旋轉(zhuǎn)自由度?；c工作臺的接觸面如圖4所示。

2.3 靜力分析

計算后得到零件變形與應(yīng)力情況如圖5與圖6示。圖5中黃色實體(黑白圖的灰色部分)是零件變形后的形狀,白色是零件原有的形狀。

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圖4 滑座與工作臺的接觸面積圖示

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圖5 零件變形圖

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圖6 零件應(yīng)力圖

圖6中的數(shù)據(jù)顯示,滑座在進給狀態(tài)下所受最大應(yīng)力(SMX)為2.54MPa,最大變形(DMX)為3.34μm。圖中用9種顏色來分別表示不同的應(yīng)力數(shù)值段,實體上紅色的區(qū)域(圖中④處)為最大應(yīng)力處,藍色區(qū)域(圖中①處及零件圖中黑色部分)所受的應(yīng)力最小?？梢钥吹?滑座體的大部分都是藍色區(qū)域,應(yīng)力很小,而且最大的應(yīng)力也只不過有2.54MPa。經(jīng)查,滑座材料(HT300)的強度極限( )為250MPa。根據(jù)以上計算結(jié)果可以得到以下兩個結(jié)論:首先,通過計算的結(jié)果可以確定滑座的靜強度條件是充分滿足的,不會在進給狀態(tài)下發(fā)生故障;其次,由于圖中的藍色區(qū)域過多,且最大應(yīng)力占強度極限的比重太小,因此可以認為原設(shè)計過于保守,造成了材料的浪費,滑座的結(jié)構(gòu)需要進一步改進。

3 拓撲優(yōu)化設(shè)計及其分析

3.1 拓撲優(yōu)化設(shè)計簡介

拓撲優(yōu)化實際上是一種模型的幾何構(gòu)形的優(yōu)化,某些情況下也可以稱之為“布置”優(yōu)化。拓撲優(yōu)化的目標(biāo)是,在受到給定約束的情況下,為了使某個目標(biāo)量(總體剛度、自振頻率等)最小化或最大化而尋求實體材料的最佳使用方案。

在ANSYS軟件中的目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模塊里,有三個重要概念,即設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。ANSYS軟件的優(yōu)化模塊里把需要優(yōu)化的變量叫做設(shè)計變量(Design Variables),設(shè)計變量為自變量,優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變設(shè)計變量的數(shù)值來實現(xiàn)的。在ANSYS軟件中,最多允許定義60個設(shè)計變量。狀態(tài)變量(State Variables)是約束設(shè)計的變量。狀態(tài)變量為因變量,是設(shè)計變量的函數(shù)。在ANSYS軟件中,最多允許定義不超過100個狀態(tài)變量。目標(biāo)函數(shù)是最后用以評估設(shè)計是否是最優(yōu)的量,它也是設(shè)計變量的函數(shù),但與狀態(tài)變量不同,它沒有約束的作用(即沒有上下限),一般來說這個量越小越好。在ANSYS軟件中,只能設(shè)定一個目標(biāo)函數(shù)。ANSYS中提供了兩種優(yōu)化方法:零階方法和一階方法。零階方法即函數(shù)逼近優(yōu)化方法,該種方法的本質(zhì)是采用最小二乘逼近,求取一個函數(shù)面來擬和解空問,然后再對該函數(shù)面求極值。無疑這是一種普適的優(yōu)化方法,不容易陷入局部極值點,但優(yōu)化精度一般不是很高,因此多用來做粗優(yōu)化的手段。一階方法即是針對第一種優(yōu)化方法缺點的改進方法,叫做梯度尋優(yōu),但用第二類梯度尋優(yōu)進行優(yōu)化,不僅時間消耗長,還可能陷入局部最小點,因此通常都建議使用零階函數(shù)逼近優(yōu)化。目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的主要步驟是:

(1)生成循環(huán)所用的分析文件,其中包括參數(shù)化建模和第一次求解。優(yōu)化設(shè)計要求在參數(shù)化建模的過程中將所有的設(shè)計變量以參數(shù)化的形式輸入;

(2)進行優(yōu)化分析的設(shè)置。在這個過程中,需要指定設(shè)計變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù);

(3)進行優(yōu)化分析。運行優(yōu)化程序并查看結(jié)果。

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圖7 拓撲優(yōu)化的結(jié)果
3.2 拓撲優(yōu)化結(jié)果

拓撲優(yōu)化模塊中有三種方法顯示結(jié)果,第一種是通過列表來顯示拓撲迭代過程,第二種是用圖形來顯示拓撲迭代過程,最后一種是通過實體上不同的顏色來表示拓撲優(yōu)化的結(jié)果。其中最后一種方法最直觀,因此使用最后一種方法做為結(jié)果顯示方式,結(jié)果顯示如圖7。

圖中藍色的區(qū)域(黑白圖中是黑色的區(qū)域)是可以去掉的材料,紅色的部分(圖中稍淺的部分)是要保留的材料。根據(jù)圖中顯示的結(jié)果,可以將圖中用紅線圈住的那部分筋板全部去掉。

3.3 滑座改進方案的靜力分析結(jié)果

根據(jù)圖7所示的結(jié)果,在proe軟件中對滑座筋板原來的結(jié)構(gòu)進行了改動,即將圖7中紅線圈住的那部分(圖中黑線圈住的部分)筋板全部去掉,其它結(jié)構(gòu)不作改動。將得到的這個實體導(dǎo)入ANSYS軟件中進行靜力分析后,得到結(jié)果如圖8所示。

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圖8 拓撲優(yōu)化后的靜力分析結(jié)果

與原設(shè)計方案的靜力分析結(jié)果相比,滑座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力由2.54MPa減小為2.521MPa,因此改進的結(jié)構(gòu)與原來的設(shè)計方案相比,性能沒有太大變化。但這次改進中去掉的筋板的體積為,而原來筋板總體積為,去除的材料占筋板總體積的22.51%,質(zhì)量為36.95kg,因此改進方案與原方案相比更加節(jié)省材料。

4 結(jié)論

(1)在proe軟件中建立了滑座的三維模型,并且探討了CAD軟件與CAE軟件的數(shù)據(jù)交互技術(shù)。然后將這個三維模型導(dǎo)入了ANSYS軟件中,使用其中的結(jié)構(gòu)分析功能對滑座結(jié)構(gòu)進行了靜力分析。

(2)從靜力分析角度來講,滑座的靜強度條件是遠遠滿足的。它的上面聯(lián)結(jié)著工作臺,是機床前床身上的一個很重要的承重部件。但前滑座的材料使用了灰鑄鐵,具有較高的抗壓強度,因此滑座即使在極限情況下,它受的最大應(yīng)力與材料的強度極限也相距甚遠。故原設(shè)計采用的安全系數(shù)有些偏高,在一定程度上造成了材料的浪費。

(3)在完成了對滑座的靜強度校核后,用ANSYS軟件中的拓撲優(yōu)化模塊對滑座結(jié)構(gòu)進行了改進。根據(jù)對這個改進方案靜力分析的結(jié)果顯示,在材料節(jié)省22.51%的情況下,滑座結(jié)構(gòu)的剛度基本不變。此外,文中所列的分析數(shù)據(jù)部分已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到了很好的驗證,其結(jié)論具有很好的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

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