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超重型数控龙门移动镗铣床横梁的有限元分析与结构优化

在有限元仿d真过程中，考虑横梁、溜板、滑枕式镗铣头等的重力对横梁体的影响。在横梁中部施加垂直方向的载荷，模拟滑枕式镗铣头等移到横梁中部时的受力情况。跟着机械化进程不断加剧，数控编程开始广泛应用与于机床类操纵，极大的开释了劳动力。例如根据横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件三维模型的装配位置，在质心上的 0D 集中质量单元上添加横梁、溜板、滑枕式镗铣头等横梁部件的集中质量30 t 的重量，并对横梁体模型空间施加重力加速度:9． 81 m / s2。横梁体有限元分析中约束结果如图7 所示。

文献［7］基于有限元分析方法预估弹性横梁静态承载曲线，进而得到横梁起拱曲线，并通过实验对起拱曲线进行验证。

文献［8］通过对龙门加工中心横梁关键尺寸的灵敏度分析，找出了对横梁静变形量和一阶频率影响较大的尺寸变量，上下壁厚是横梁结构静变形量灵敏度大的尺寸，纵向筋板是横梁结构一阶固有频率灵敏度大的尺寸; 以横梁静变形量和一阶模态频率为性能指标，结合灵敏度分析结果，采用变尺寸法对横梁进行结构优化分析，提高了横梁的静动态特性，并降低了横梁的重量。采用10节点四面体有限单元网格对横梁体有限元模型进行网格划分，划分结果为:横梁部件中的单元数目为328149，节点数目为397719。

文献［9］中数控龙门机床 8 m 长的横梁材料采用高强度低合金结构钢 Q345B，采用焊接工艺加工。利用 ANSYS Workbench 对机床横梁进行了静动态有限元分析，在此基础上进行了拓扑优化设计，并且制造出机床。

文献［4］中数控机床尤其是铣床，横梁是很关键的结构，其设计水平的好坏直接影响整个机床性能。对于横梁的优化主要从两方面考虑: ①在不增加质量的前提下，使横梁上的大变形极小化，提高横梁的静刚度; ②优化中初阶固有频率不小于设定值，提高横梁的动刚度。除横梁本身的重量外，还要考虑溜板、滑枕式镗铣头等移动部件从横梁一端移动到中部时重力引起横梁的变形。优化的具体实施步骤如下: 首先，通过形状及拓扑优化确定横梁佳的截面轮廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通过尺寸优化确定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 软件优化模块可以定义多个设计变量和状态变量，设计变量为自变量，状态变量和目标函数都是设计变量的函数。如横梁结构的长、宽、高尺寸以及筋板厚度等定义为设计变量，横梁结构变形和应力随设计变量的变化而变化，是设计变量的函数，可以定义为状态变量，使结构重量极小化定义为目标函数。