为保证机床的高动态性能,在保证结构刚度前提下需要对滑鞍结构进行拓扑优化去重处理,来提升动态性能。
4.1拓扑优化理论与优化模型建立
通过Ansys Workbench提供了结构优化分析模块,能够快速地解决产品优化设计问题[13]。此次分析采用结构优化模块进行分析,并结合静力学分析结果对初始滑鞍结构进行目标去除。
目标去除率γ小于最大去除率γ_max。

式中,[σ]为材料屈服极限,QT600为370MPa;σ_max为载荷状态下材料的最大屈服力,根据仿真为12.567MPa;η_0为去除材料安全系数,取0.8。通过公式可以算出最大去除率为77.3%。
采用结构优化模块对初始滑鞍模型进行拓扑优化分析,需要对模型进行静力学分析,并导入结构优化模块中[13-14]。滑鞍前侧为镂空部分,减重意义不大,后侧为实心部分,因此设置拓扑优化目标区域为滑鞍后侧。拓扑优化进行时质量约束逐渐收敛,迭代求解完成,拓扑优化结束,拓扑优化效果图如图7所示。经过对比在去除率在30%~40%之间筋格形状最好,将筋格形状提取与原有模型对比,结果如图8所示。


4.2优化结果对比验证
为验证拓扑优化的成效,根据内部筋格形状进一步在Solidworks中重新构建滑鞍三维模型。并对重构滑鞍开展了静力学分析与模态分析,其静力学分析的变形云图如图9所示。从质量、变形及前十阶频率值这3个维度,将初始结构与拓扑优化后的滑鞍进行对比,所得对比结果具体见表3和表4。
由图6和图9所示,优化前滑鞍所受最大应力为12.567MPa,优化后最大应力为10.376MPa。由于拓扑优化后材料分布更加均匀,应力集中点发生了变化,降低了应力集中现象,优化后滑鞍所受最大应力值减小,仍符合强度要求。
由表3和表4可知,滑鞍经过拓扑优化后,与初始滑鞍相比,其质量减小了13.15%,基频降低了4.97%,最大变形量虽增大了,但仍符合设计需求。因此,经过拓扑优化明确了滑鞍合理的结构形态分布,同时实现了减轻整体质量、增强结构支撑刚度的目标。


