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基于随机有限元法的深孔机床基础件的结构优化

武小惟  
【摘要】:随着深孔加工技术的发展,深孔加工机床向着高精度、高效率、智能化的方向发展。作为深孔机床的关键部件,主轴箱自身质量以及它在工作时的静动态性能会对深孔机床的加工性能产生重要的影响。传统的深孔机床基础件在结构设计时多采用经验设计或类比设计,导致主轴箱结构质量冗余、体积粗大笨重而且带来一定的加工难度,从而影响到机床的动静态性能、工艺性能及加工性能。针对以上问题,本文以ZWKA2108深孔机床主轴箱为研究对象,通过建立三维模型,对主轴箱进行有限元静动态分析,在此基础上通过参数相关性分析得到对主轴箱质量影响较大的参数,通过响应面优化得到优化后主轴箱的结构尺寸及静动态性能。最后对优化后的主轴箱进行可靠性分析,定性定量的验证优化后主轴箱结构是否合理,为后续机床关键结构件的研究提供一定参考依据。研究内容包括:(1)基于Solidworks和ANSYS Workbench对主轴箱进行有限元静力学分析以及模态分析。在Solidworks中建立主轴箱的三维实体模型并参数化,将其导入ANSYS Workbench中对其进行有限元静动态分析,得到主轴箱的应力云图和变形云图,并提取主轴箱的前六阶固有频率以及振型图。通过对结果分析表明:主轴箱的原始设计在刚度和强度均存在较大的冗余,有进一步优化设计的空间。(2)基于响应面法对主轴箱进行结构优化设计。利用ANSYS Workbench软件中的优化设计模块,建立以主轴箱质量和一阶固有频率为优化目标,以主轴箱最大应力、最大变形以及首阶固有频率为约束条件,以主轴箱的关键几何尺寸作为设计变量。通过参数相关性分析选择对优化目标影响较大的尺寸参数,建立优化目标函数的响应面模型,基于响应面模型选择多目标遗传算法对其进行计算。结果表明:主轴箱在满足工作性能的前提下,获得较为理想的结构尺寸,优化后主轴箱质量减轻了6.431%,达到了结构轻量化的优化目的。(3)基于随机有限元法对主轴箱进行可靠性分析。在主轴箱结构优化的基础上,利用ANSYS Workbench中的6σ可靠性模块对优化后的主轴箱进行定量的可靠性分析,通过定义主轴箱结构失效的极限状态函数,将材料属性、几何尺寸、外载荷的大小考虑成是随机变量并且符合正态分布,采用Monte Carlo法进行计算,分别对优化后主轴箱的静强度、静刚度和动刚度进行可靠性分析。结果表明:优化后主轴箱的静强度、静刚度和动刚度可靠性均满足要求,定量的验证了主轴箱优化设计的合理性。


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