水切割机床承重部件参数化设计及结构优化_周鹭.pdf

2023 年 1 月总第 348 期水切割机床承重部件参数化设计及结构优化收稿日期：20220516；修回日期：20220628作者简介：周鹭（1994），女，河南辉县人，经济师，助理工程师（机械），主要从事成果转移转化、机械设计研究，E-mail：。周鹭摘要：为应对多元化市场对产品个性化定制的要求，对某型水切割机床的横梁、立柱结构开发了适用于企业产品快速设计的结构优化系统。在 ANSYS 软件中建立承重结构的参数化模型，对其进行静力学分析和动力学分析，得到切削工况下的等效应力云图与位移云图、固有频率与各阶振型等；在保证机床的强度和刚度的基础上，针对结构关键几何尺寸参数进行优化设计。分析结果显示，初始的结构具有较高的安全系数和较大的优化空间；经过轻量化优化设计，在降低机床重量的同时，其强度和刚度特性仍符合公司要求和标准。该优化系统缩短了产品校核和再设计的过程，提高了水切割机床的设计效率。关键词：水切割机床；APDL；参数化建模；结构有限元分析中图分类号：TG48；TG664；TP391.72；TP391.9文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.01.121（安阳市科学技术信息研究所，河南安阳455000）文章编号：1674-9146（2023）0112105高压水射流切割技术又称为水刀，具有操作安全、加工柔性高、切缝光滑平整、精度高、无粉尘危害、经济环保等优势，深受用户欢迎和重视，因此水切割机床有着越来越广泛的应用前景。横梁、立柱作为主要的承重结构，其力学性能对机床的加工精度有很大的影响。结构的有限元分析法适用于非规则求解区域和复杂边界条件问题的求解，求解的通用性和有效性使得其在工程领域的应用越来越广泛1。目前已经有研究者对悬臂式水切割机床的承重结构进行了静力学分析，并根据分析结果对结构进行调整和拓扑优化2-3。然而没有讨论机床的动态特性，结构优化考虑的变量较为简单，尤其是对单个结构的有限元分析在面对工业化大批量定制化产品的设计时，工作量较为繁琐，操作门槛也较高。随着水切割机床专用化的提高，需要根据客户特殊的工况或要求进行针对性的变型设计。企业现有的龙门式水切割机床零部件的结构设计稳定，不同规格产品间的主要区别在于尺寸的改变和工艺的微 调。本 文 通 过 ANSYS 的 参 数 化 设 计 语 言（ANSYS Parametric Design Language，APDL），在软件中针对某型号水切割机床的横梁和立柱结构，设计了参数化的有限元仿真分析系统，协助实现产品大规模定制所需的快速设计，有助于企业节省设计投资、缩短产品开发周期4-5。该系统的目标为：一是分析和校核正常工况下结构的强度和刚度性能；二是在保证力学性能符合相关要求的情况下，对结构进行优化，减轻机床质量。通过参数化方式进行有限元建模，实现分析流程的标准化和自动化。1有限元参数化模型的建立（参数化建模）横梁和立柱是机床最重要的结构，图 1 为某龙门式水切割机床承重结构简化后的三维模型，主要包括立柱和横梁。它们确保机床刀架的水平方向和垂直方向的支撑，其力学性能较大地影响着机床的加工性能。其设计需要保证能承受机床本身和工件的质量，以及保证在受到一定的额外载荷时不会产生过大的变形，同时在此基础上减轻结构的质量来降低成本。企业中水切割机床的型号结构已有较为成熟的样式，不同规格产品间的主要区别在于尺寸差异。见第 122 页图 2 为横梁和立柱结构简图及参数化尺横梁立柱图 1龙门式水切割机床承重结构的三维模型（主要包括立柱和横梁）应 用 技术Applied Technology-121-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348寸变量。横梁（见图 2-a）和立柱（见图 2-b）的工程图中详细标注了产品的主要尺寸变量，将结构的几何尺寸设为由用户输入的参数化尺寸变量，不同的设计仅需要改变不同的参数值即可。这些几何尺寸的确定方式主要分为 3 种：一是固定尺寸，倒角、凸台等部分细节结构，其尺寸不随型号变化；二是关键设计尺寸（主键），如横梁尺寸等，随不同的工况或要求而改变，这也是不同型号的结构主要改变的尺寸；三是次级设计尺寸，由固定尺寸和关键设计尺寸等主要尺寸，通过尺寸传递计算而得到的可变尺寸。参数化建模的关键 APDL 程序语句如下。/prep7*set,L1,300!声明模型尺寸参数变量，并赋给初值 k,1,-L2/2+T1/2,L1/2-T1/2,L3/2-T2/2!基于变量构建几何模型（参数计算点坐标）l,1,2!线a,5,6,7,8,9,10,11,12!面AMESH ALL!划分网格FINISH!退出前处理器机床中存在一些复杂的细小结构，如定位孔、连接副等。这些细小结构对机床整体的力学性能影响较小，反而极大地增加了有限元网格的复杂度，影响计算效率，因此，在建模过程中，通过忽略部分细小结构、定义零件间接触替代连接件等方式，对模型进行了简化。最终得到的参数化建模的三维模型，见图 1。本文以现有的某型号机床为实例，进行参数化建模和有限元分析及优化。该实例的横梁和立柱结构关键几何尺寸参数见表 1。用 APDL 在 ANSYS 中构建各零部件的三维模型并进行装配，并依次按照表 1 中数据给各尺寸变量赋值。表 1实例的横梁和立柱结构关键几何尺寸参数2有限元模型的前处理分析为各个零件赋予相应的材料属性。实例中，各个零件的材料属性见表 2。表 2材料属性本次分析选择使用 ANSYS 提供的 3 维 8 节点四面体网格结构单元 Solid185，自动划分网格方式，对有限元模型采用细密的网格分布，网格划分后模型共有 138 629 个节点和 246 806 个单元。根据机床工作情况来设定结构的边界、载荷和约束条件。在立柱底座施加 3 个方向的固定约束，模拟与地面的固定连接。由于水切割加工时，切削力很小，因此忽略切削反力。切割部件的载荷为主轴及相关组件的重力。分析时，将主轴及相关结构简化为位于其质心位置的质点，因此模型的载荷包括结构的自重以及质点的重力。采用多点约束法（Multi-Point Constraints，MPC）耦合两接触面间的节点，来模拟横梁与导轨、横梁与立柱之间的螺栓连接。为了对部件进行网格划分，分析每个零件的结构特点来选取网格类型。为了方便网格划分和计算，忽略复杂的细小结构，如螺纹丝杠等。采用自动划分网格方式（四面体网格），得到最终的有限元模型见图 3。图 3龙门式水切割机床承重结构的有限元模型3有限元分析结果与讨论3.1机床承重结构的静力学特性完成有限元模型的前处理过程后，首先进行静图 2横梁和立柱结构简图及参数化尺寸变量滑台滑块导轨凸台横梁L4L5主视图左视图T4L22L2L23L25T5T4L242-a横梁的截面视图2-b立柱的主视图和左视图关键几何尺寸参数尺寸横梁横梁高 L1300横梁宽 L2200横梁长 L24 600横梁壁厚 T18导轨导轨长度 L63 500滑块间距 L13110立柱高 L24200长 L22350（mm）部件材料牌号弹性模量/MPa泊松比质量密度/t mm-3横梁Q2352.121050.2887.8610-9滑台HT2501.381050.1567.2810-9应用 技 术Applied Technology-122-2023 年 1 月总第 348 期力学分析计算。为了计算普通工况下结构的应力、应变，对结构进行静力学分析。在静力学分析中，设置重力场，载荷即为模型以及主轴的自重。由于水切割机床的非接触式加工方法没有硬加工的反作用力，因此主轴上不再额外添加载荷。执行静力学分析的关键 APDL 程序语句如下。/solantype,static!设置求解类型acel,9800,!按坐标轴赋体积力 重力加速度csys,0NSEL,s,LOC,y,-L1/2-L24d,all,all!施加约束ALLSEL,ALLSOLVE!执行求解经过分析计算，得到结构静力学分析计算结果（见图 4）。其中，机床承重结构的等效应力分布由等效应力云图（见图 4-a）展示；结构的变形由位移云图（见图 4-b）展示。应力较大的区域出现在横梁的中部以及横梁与立柱交接的内角。机床工作时，在自重和主轴重量的作用下，其等效应力最大值出现在横梁的中部区域，约为 7.725 MPa，最大位移为 0.067 mm。根据第四强度理论，由式（1）应力校核公式，可知横梁结构的应力远远小于其许用应力。应力校核公式为=n（1）式中：为横梁材料的屈服强度，=235 MPa；n为安全系数，取 n=3，故许用应力=78 MPa。因此，静力学分析仿真结果符合公司的精度要求和机床的强度标准，且有很高的安全系数和较大的优化设计余量。3.2机床承重结构的动力学特性模态分析在工程中是一种广泛应用的分析方法，主要用来计算结构的固有频率和振型，进而检验是否存在共振。水切割机床由于其利用高压水切割的加工方式，不需要考虑传统机床中最关键的共振因素之一，即主轴转速的影响，因此总体上水切割机床的刚度性能普遍较好。进行结构的模态分析，由于对机床动态性能影响较大的是低阶固有频率，通常求解前 6 阶固有频率。模态分析的关键 APDL 程序语句如下。/solantype,modal!指定为模态分析modopt,lanb,6,0,0,off!选择模态分析方法mxpand,6,0!设定求解前六阶振型根据模态分析结果，横梁和立柱结构的前 6 阶固有频率见表 3；前 6 阶振型见第 124 页图 5。通过分析可知，第 1 阶、第 2 阶振型为一阶弯曲模态，第 3 阶振型为一阶扭转模态，第 4 阶、第 5 阶为二阶扭转模态。其中，由于第 1 阶、第 2 阶模态的节点位于横梁中部主轴的位置，因此该范围内振型对加工精度的影响较大。表 3固有频率的模态分析结果3.3结构的轻量化优化设计为了节约生产资源，降低机床质量，以轻量化为目标建立优化数学模型（见第 124 页表 4）。基于横梁和立柱结构的有限元模型，优化目标为最小质量；状态变量为最大应力和最大变形量，分布根据材料和加工性能要求，设置最大应力小于 78 MPa，图 4结构静力学分析计算结果0.001 3440.859 5391.717 742.575 933.434 134.292 325.150 526.008 716.866 917.725 1位移/mm00.007 5430.015 0850.022 6280.030 1710.037 7130.045 2560.052 7990.060 3410.067 8844-a等效应力云图4-b位移云图冯 米塞斯等效应力/MPa阶数固有频率/Hz141.71270.633121.74129.85180.76195.4应 用 技术Applied Technology-123-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.1 Jan.2023，Total No.348最大变形量小于 0.25 mm；设计变量为横梁的关键尺寸，包括横梁高 L1、横梁宽 L2、横梁长 L3和横梁壁厚 T1，根据装配环境、刀具行程需要等外在因素，选取变量的设计变化范围见表 4。表 4优化模型优化设计的关键 APDL 程序语句如下。/optopanl,example-opt,txt,D:opt!指定分析模型opvar,mass,obj,1e-2!目标变量opvar,SMAX,sv,78!状态变量opvar,UMAX,sv,0.8opvar,L3,dv,4400,4800!设计变量optype,subp!设置优化方式，子问题逼近算法opexe!执行优化根据优化结果，可对比优化前后结构设计变量及质量，见表 5。结果显示，此次优化使得横梁总质量减轻了 21.67%（94.85 kg），同时应力和变形量有一定的增加，最大应力增加 9.14 MPa，最大变形量增加 0.015 60 mm，虽然最大应力的增幅较大，但根据式（1）应力校核公