仿真在线:有限元分析咨询与培训中心——Ansys|Fluent|Abaqus|HFSS|SolidWorks|课程培训

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計

2013-06-10  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 張向宇*熊計*郝鋅*賴人銘    來源: 萬方數據
關鍵字: Ansys proe 有限元 前滑座 拓撲優化  
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,對進給狀態下的滑座做有限元計算,并根據計算結果校核了滑座的靜強度。使用ANSYS軟件中的拓撲優化模塊對滑座結構進行改進。改進后的滑座結構保持了原結構的靜強度和剛度,但比原設計方案的用料減少了36.95 kg。

根據設計變量類型不同,結構優化可以分為:尺寸優化、形狀優化、拓撲布局優化以及結構類型優化。近年來,尺寸優化、形狀優化發展已經較為成熟,隨著有限元方法、數學規劃和計算機的發展,結構拓撲優化成為研究熱點。結構拓撲優化是在給定的載荷及邊界條件下,確定材料在設計空間的最優分布。按照其研究對象可分為骨架類結構拓撲優化和連續體結構拓撲優化?。目前國內的拓撲優化模型一般只能實現二維平面及簡單三維結構的設計,研究與應用力度不夠,缺少具有求解大型復雜結構、多工況下的設計平臺。本文針對TH65100臥式加工中心前滑座結構采用連續體結構拓撲優化方法,建立前滑座結構的拓撲優化模型,實現完整的三維結構設計,為進一步的結構詳細設計提供了設計原型口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模,根據圣維南原理,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的簡化。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元仿真分析相關圖片圖片1

    圖1 模型

    2 有限元靜力分析

    2.1 單元選取與網格劃分

根據圖紙,加工中心前滑座的材料為灰鑄鐵HT300,材料為各向同性、介質均勻。取其彈性模量E=130GPa;泊松比μ=0.24;密度ρ=基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元仿真分析相關圖片圖片2。TH65100加工中心前滑座結構復雜,內部有縱橫交錯的筋板,并且有相當多的開口、凸臺等特征,表面形狀復雜,很難用影射網格劃分。由于前滑座中的線、面眾多,難以控制,所以網格劃分采用ANSYS中的智能分網方法(Smart Size)。ANSYS在智能分網控制中將網格精度分為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。考慮到前滑座屬大件結構,為了減少單元數量,提高分析速度,使計算現實可行,可以適當降低分網精度,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個節點。劃分后前滑座的節點總數為17355,單元總數為30732,網格生成見圖2。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元仿真分析相關圖片圖片3

    圖2 前滑座劃分網格后的模型

    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坐標軸,主軸箱垂直于地面的行程是Y坐標軸,立柱的橫向進給是Z坐標。除此之外,還有一個B坐標軸(圖中未標出),就是工作臺的回轉坐標軸,該機床的工作臺是可以360度任意旋轉的,約束如圖3所示。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片4

    圖3 滑座的約柬

如圖3所示,在進給狀態下,兩導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軸的旋轉自由度,同時它們還共同限制了滑座繞x軸的旋轉自由度,另外,兩導軌槽的側面則分別限制了滑座在Z軸的移動自由度和繞Y軸的旋轉自由度。滑座與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。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片5

    圖4 滑座與工作臺的接觸面積圖示

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片6

    圖5 零件變形圖

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片7

    圖6 零件應力圖

圖6中的數據顯示,滑座在進給狀態下所受最大應力(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力數值段,實體上紅色的區域(圖中④處)為最大應力處,藍色區域(圖中①處及零件圖中黑色部分)所受的應力最小。可以看到,滑座體的大部分都是藍色區域,應力很小,而且最大的應力也只不過有2.54MPa。經查,滑座材料(HT300)的強度極限(基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片8 )為250MPa。根據以上計算結果可以得到以下兩個結論:首先,通過計算的結果可以確定滑座的靜強度條件是充分滿足的,不會在進給狀態下發生故障;其次,由于圖中的藍色區域過多,且最大應力占強度極限的比重太小,因此可以認為原設計過于保守,造成了材料的浪費,滑座的結構需要進一步改進。

    3 拓撲優化設計及其分析

    3.1 拓撲優化設計簡介

拓撲優化實際上是一種模型的幾何構形的優化,某些情況下也可以稱之為“布置”優化。拓撲優化的目標是,在受到給定約束的情況下,為了使某個目標量(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軟件中的目標優化設計模塊里,有三個重要概念,即設計變量、狀態變量和目標函數。ANSYS軟件的優化模塊里把需要優化的變量叫做設計變量(Design Variables),設計變量為自變量,優化結果的取得就是通過改變設計變量的數值來實現的。在ANSYS軟件中,最多允許定義60個設計變量。狀態變量(State Variables)是約束設計的變量。狀態變量為因變量,是設計變量的函數。在ANSYS軟件中,最多允許定義不超過100個狀態變量。目標函數是最后用以評估設計是否是最優的量,它也是設計變量的函數,但與狀態變量不同,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,只能設定一個目標函數。ANSYS中提供了兩種優化方法:零階方法和一階方法。零階方法即函數逼近優化方法,該種方法的本質是采用最小二乘逼近,求取一個函數面來擬和解空問,然后再對該函數面求極值。無疑這是一種普適的優化方法,不容易陷入局部極值點,但優化精度一般不是很高,因此多用來做粗優化的手段。一階方法即是針對第一種優化方法缺點的改進方法,叫做梯度尋優,但用第二類梯度尋優進行優化,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逼近優化。目標優化設計的主要步驟是:

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

    (2)進行優化分析的設置。在這個過程中,需要指定設計變量、狀態變量和目標函數;

    (3)進行優化分析。運行優化程序并查看結果。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片9

    圖7 拓撲優化的結果
3.2 拓撲優化結果

拓撲優化模塊中有三種方法顯示結果,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化的結果。其中最后一種方法最直觀,因此使用最后一種方法做為結果顯示方式,結果顯示如圖7。

圖中藍色的區域(黑白圖中是黑色的區域)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。根據圖中顯示的結果,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果

根據圖7所示的結果,在proe軟件中對滑座筋板原來的結構進行了改動,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,其它結構不作改動。將得到的這個實體導入ANSYS軟件中進行靜力分析后,得到結果如圖8所示。

基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片10

    圖8 拓撲優化后的靜力分析結果

與原設計方案的靜力分析結果相比,滑座結構的最大應力由2.54MPa減小為2.521MPa,因此改進的結構與原來的設計方案相比,性能沒有太大變化。但這次改進中去掉的筋板的體積為基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片11,而原來筋板總體積為基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計+有限元項目服務資料圖圖片12,去除的材料占筋板總體積的22.51%,質量為36.95kg,因此改進方案與原方案相比更加節省材料。

    4 結論

(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軟件的數據交互技術。然后將這個三維模型導入了ANSYS軟件中,使用其中的結構分析功能對滑座結構進行了靜力分析。

(2)從靜力分析角度來講,滑座的靜強度條件是遠遠滿足的。它的上面聯結著工作臺,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,它受的最大應力與材料的強度極限也相距甚遠。故原設計采用的安全系數有些偏高,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軟件中的拓撲優化模塊對滑座結構進行了改進。根據對這個改進方案靜力分析的結果顯示,在材料節省22.51%的情況下,滑座結構的剛度基本不變。此外,文中所列的分析數據部分已經在實際生產中得到了很好的驗證,其結論具有很好的現實指導意義。


開放分享:優質有限元技術文章,助你自學成才

相關標簽搜索:基于ANSYS的加工中心滑座拓撲優化設計 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真 

編輯
在線報名:
  • 客服在線請直接聯系我們的客服,您也可以通過下面的方式進行在線報名,我們會及時給您回復電話,謝謝!
驗證碼

全國服務熱線

1358-032-9919

廣州公司:
廣州市環市中路306號金鷹大廈3800
電話:13580329919
          135-8032-9919
培訓QQ咨詢:點擊咨詢 點擊咨詢
項目QQ咨詢:點擊咨詢
email:kf@1cae.com




主站蜘蛛池模板: 永康微网站建设、永康手机网站建设、永康营销型网站建设、永康外贸网站建设、永康网站托管、永康网络公司—英汇网络 - 永康市英汇网络技术有限公司 | 合肥食品检测-安徽卫生检测-水质检测机构-安徽金标准检测研究院有限公司 | 康拓威技术(深圳)有限公司|Theia镜头代理商|安讯士AXIS摄像机|安讯士监控系统|博世BOSCH监控|博世会议系统|索尼SONY监控|松下PANASONIC监控|三星韩华SAMSUNG监控|霍尼韦尔Honeywell|海康|大华|华为监控|Theia无畸变镜头|AXIS监控|安讯视摄像机 | 上海希喆机械有限公司-Schunk雄克,雄克卡盘, 雄克机械手, B+R贝加莱, ELCIS编码器,艾西斯编码器, TWK编码器,Nexen,Joyce dayton升降机,Thomson汤姆森,TPG减速机,INA导轨。 | 硬度计,里氏硬度计,布氏硬度计,高强螺栓检测仪,平板导热仪,专业无损检测仪器商-北京时代新天测控技术有限公司-北京时代新天测控技术有限公司 | 红河州春辉装饰有限公司官网 | 一体式电磁流量计_分体式电磁流量计_卫生级电磁流量计_卫生型电磁流量计_电池供电电磁流量计_卡箍式电磁流量计_废水电磁流量计_德克森仪表(淮安)有限公司官网 | 山东净化车间_净化工程_净化公司-山东海蓝净化装饰工程有限公司 山东金起起重机械有限公司[官网]-金桥银路悬臂吊,金起龙门吊,山东金起起重行吊,单梁起重机 | 乐云SEO | 品牌营销:抖音小红书关键词优化-ai搜索优化GEO推广 | 水质在线硬度计-立柜式五参数水质分析仪-上海博取 | 增压泵-离心泵-管道泵-排污泵-上海渤泉泵业制造有限公司 【官方网站】 | 装备升级改造I成都星迅通科技有限公司-成都星迅通科技有限公司官方网站 | 有机肥设备|有机肥生产线|有机肥料生产设备|河南通达重工科技有限公司 | 气动球阀-气动蝶阀-电动蝶阀「厂家」-恒信流体控制有限公司 | 锦州龙威机械有限公司官网 ,锦州医药包装机,包装机,锦州包装机械,小袋颗粒装盒生产线,颗粒装盒生产线,软双铝装盒线,伺服颗粒 | 美标球阀_美标闸阀-浙江川一阀门有限公司 | 济南德固机械|膨化食品生产线|早餐谷物玉米片生产线|拉丝蛋白生产线|速食米饭生产线 | 普利塞HS穿刺活检针-巴德穿刺活检针-美创爱琅Argon活检针同轴针-山东瑞玺源 | 曙海培训-仿真培训Linux培训html5培单片机培训PCB培训python培训PLC培训C语言培训android培训物联网培训无线电培训欧姆龙培训工业机器人培训5G培训Hadoop培训CFD培训项目外包开发咨询 | 首页-青特集团官方网站| 医疗器械招标网—打造医械厂家专业服务平台 | 智能搅拌锅_食品搅拌锅_多功能搅拌锅 - 青岛环速科技有限公司 | 实木全屋定制|整木定制|整木家装|实木护墙板-浩冠家具官网 | 铸铁平台,三维柔性焊接平台,划线平台,大理石平台,检验平板,花岗石平台_泊头市恒量机械设备有限公司 | 耐磨钢板_复合耐磨板_KN60耐磨钢板-北京耐默公司 | 送料机-冲床送料机-伺服送料机 - 常州市佳王精密机械有限公司 | 湖南长沙智能实验室规划设计、整体建设、净化装修、改造施工公司-福临建设 | 辽宁大卯新能源供热设备制造有限公司官方网站,大卯新能源,大卯新能源供热设备 | 四通球阀_304真空阀_不锈钢五通球阀厂家-浙江壬丰阀门有限公司 | 网站建设-百度SEO关键词优化与企业全网营销推广服务-启源信息 | 新一能-配电箱、变频柜、plc控制柜、开关柜生产厂家 | 拉丝模|高晶异形拉丝模|联合拉拔机模具|钼丝拉丝模|金刚石纳米涂层模|焊丝拉丝模|钨钢拉丝模|聚晶拉丝模_河北恩泰利嘉金属制品有限公司 | 生活污水处理工程安装承包-江苏富瑞源环境工程有限公司 | 精品中文字幕在线观看,粉嫩av一区二区三区,最近中文字幕在线看免费视频,亚洲高清在线观看,日本一区二区视频手机免费看,国产黄色小视频,亚洲高清免费视频,国产精品一区二区欧美视频,亚洲人免费视频,亚洲视频在线观看免费,国产免费高清综合视频,中文字幕永久在线 | 青山套筒_直螺纹钢筋连接套筒加工_全灌浆套筒灌浆料_半灌浆套筒生产-衡水安达机械设备有限公司 | 西安木包装箱出口托盘定做价格-抽真空实木包装箱免熏蒸木箱多层板木箱哪家好-模压托盘及白松原木-西安宇森木业 | 南京样本设计,彩页制作,宣传册设计,画册设计印刷,包装设计公司,南京台历制作 | 呼吸家官网|肺功能检测仪生产厂家|国产肺功能仪知名品牌|肺功能检测仪|肺功能测试仪|婴幼儿肺功能仪|弥散残气肺功能仪|肺功能测试系统|广州红象医疗科技有限公司|便携式肺功能仪|大肺功能仪|呼吸康复一体机|儿童肺功能仪|肺活量计|医用简易肺功能仪|呼吸康复系统|肺功能仪|弥散肺功能仪(大肺)|便携式肺功能检测仪|肺康复|呼吸肌力测定肺功能仪|肺功能测定仪|呼吸神经肌肉刺激仪|便携式肺功能 | 橡胶粉碎机_轮胎粉碎机_橡胶切条机_橡胶粉碎机价格_河南鑫世昌机械制造有限公司 | 螺杆式空压机|沈阳螺杆空压机厂家推荐选择沈阳隆瑚机械有限公司 螺带混合机|卧式螺带混合机|双动力混合机-无锡鑫海干燥粉体设备有限公司 | 专业色素炭黑生产厂家,提供各种用途色素炭黑价格-枣庄鑫源化工 |