數(shù)控機(jī)床床身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、TOC o 1-3 t h z u 數(shù)控機(jī)床床身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐的不斷發(fā)展，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本的變革，機(jī)床床身設(shè)計(jì)逐步從經(jīng)驗(yàn)、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向科學(xué)、理性和立足于計(jì)算分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法過渡。針對(duì)目前數(shù)控機(jī)床床身的設(shè)計(jì)缺乏有效的理論依據(jù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理的普遍現(xiàn)象，本文通過在某型號(hào)數(shù)控機(jī)床床身筋板設(shè)計(jì)上進(jìn)行了優(yōu)化來(lái)提高機(jī)床性能，減少機(jī)床床身質(zhì)量，具有重要的實(shí)際意義和參考價(jià)值。本文依據(jù)產(chǎn)品性能要求，確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)方案。對(duì)已設(shè)計(jì)的鑄鐵床身方案進(jìn)行優(yōu)化，通過對(duì)床身的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，綜合比較，判別如何優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。再利用最優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論體系和方法對(duì)床

2、身結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行以筋板厚度為設(shè)計(jì)變量，以低階頻率與減輕床身質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，在綜合評(píng)估床身性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，并利用工程方案與優(yōu)化理論相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，在優(yōu)化分析軟件ANSYS Workbench的幫助下，真正利用軟件和優(yōu)化理論完整實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，得出較好的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：機(jī)床床身；靜力分析；模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化OPTIMAL DESIGN OF CNC MACHINE TOOL BED SIZEABSTRACTAlphaThe continuous development of optimize the design theory being researched and

3、 applied into practice has fundamentally changed the methods of traditional design. In another word, the modern design, rooting in scientific and ration analysis, has been transited and is actually superseding the traditional one, basing on the experiencing and sensibility. Therefore, it plays an im

4、portant role and has been valued with CNC design that improving the dynamical property of CNC urgently needs of the optimization design on the stiffened rib plate design of machine tool bed, which this paper also significantly emphasizes. Based on product performance requirements, the initial design

5、 of the product structure has been determined. Firstly, using the method of static and dynamic, analyzing and comparing to the designed initial machine tool bed, ultimately we figure out which is the best; Secondly, choosing the thickness the stiffened plate, using the low frequencies and the light

6、tool bed as optimal objective, we are designing and optimizing the bed structure, with the methods and theories of the optimal design. Finally, on the basis of comprehensive evaluation and performance index, and using the design of the combination of engineering solutions and optimization theory, wi

7、th the help of using ANSYS Workbench software, we have completed the optimization design of the whole and integrated process, and we have made a better design.Key words: machine bed; static analysis; modal analysis; structure optimization目 錄 HYPERLINK l _Toc12714 1 緒論1 HYPERLINK l _Toc9195 1.1課題研究的背

8、景及意義1 HYPERLINK l _Toc11658 1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究歷史與現(xiàn)狀1 HYPERLINK l _Toc17852 1.3課題的研究?jī)?nèi)容與工作6 HYPERLINK l _Toc7012 1.4本章小結(jié)7 HYPERLINK l _Toc18275 2 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)8 HYPERLINK l _Toc25973 2.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立與求解8 HYPERLINK l _Toc27201 2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc27201 10 HYPERLINK l _Toc12104 2.3優(yōu)化軟件的應(yīng)用與響應(yīng)面法介紹 PAGEREF _Toc1

9、2104 10 HYPERLINK l _Toc21662 2.4 響應(yīng)面法介紹 PAGEREF _Toc21662 12 HYPERLINK l _Toc31559 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc31559 12 HYPERLINK l _Toc10107 3 Pro/E與機(jī)床床身建模設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc10107 13 HYPERLINK l _Toc21956 3.1 Pro/E軟件概述與特點(diǎn) PAGEREF _Toc21956 13 HYPERLINK l _Toc12340 3.2 數(shù)控機(jī)床身整體設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc12340 14 HYPERLI

10、NK l _Toc16463 3.3 機(jī)床床身設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc16463 15 HYPERLINK l _Toc16235 3.4 本章小結(jié)16 HYPERLINK l _Toc3517 4 基于ANSYS Workbench的機(jī)床床身有限元分析17 HYPERLINK l _Toc29187 4.1 床身設(shè)計(jì)變量的預(yù)處理17 HYPERLINK l _Toc239 4.2 修改機(jī)床床身材料18 HYPERLINK l _Toc25762 4.3 床身靜、動(dòng)力學(xué)分析與目標(biāo)函數(shù)的預(yù)處理19 HYPERLINK l _Toc32015 4.4本章小節(jié)26 HYPERLINK l _T

11、oc19045 5 機(jī)床床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)27 HYPERLINK l _Toc15103 5.1基于AWE的床身優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)27 HYPERLINK l _Toc18961 5.2設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的獲得28 HYPERLINK l _Toc31278 5.3 獲取設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)28 HYPERLINK l _Toc4623 5.4 單一設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響 PAGEREF _Toc4623 30 HYPERLINK l _Toc20783 5.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果 PAGEREF _Toc20783 33 HYPERLINK l _Toc16690 5.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc

12、16690 35 HYPERLINK l _Toc25587 6 結(jié)論與展望36 HYPERLINK l _Toc29315 6.1論文的主要工作37 HYPERLINK l _Toc13516 6.2主要結(jié)論37 HYPERLINK l _Toc27826 6.3存在的問題及展望38 HYPERLINK l _Toc11950 參考文獻(xiàn)39 HYPERLINK l _Toc14818 致謝40 數(shù)控機(jī)床床身尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)第 頁(yè) 共 40 頁(yè)1 緒論1.1課題研究的背景及意義目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)大多處于“粗放型”階段，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量、精度、性能等方面與國(guó)外先進(jìn)水平差距仍然

13、很大，雖然需求不斷增長(zhǎng)，但機(jī)床產(chǎn)業(yè)的處境仍處于低檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔仍靠進(jìn)口的尷尬局面，難以突破技術(shù)瓶頸。機(jī)床工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)特別是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)，戰(zhàn)略地位突出，從根本上改變目前低效、落后的狀態(tài)，掌握先進(jìn)的機(jī)床設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新的學(xué)科，從60年代開始，由于最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法是在給定的載荷或環(huán)境條件下，在機(jī)械產(chǎn)品的形態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其它因素的限制范圍內(nèi)，以機(jī)械系統(tǒng)的功能、強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性等為優(yōu)化對(duì)象，選取設(shè)計(jì)變量，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并使目標(biāo)函數(shù)獲得最優(yōu)值一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

14、，目前機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)己廣泛應(yīng)用于航天航空，機(jī)床和汽車制造等各部門。本文通過對(duì)某型號(hào)數(shù)控機(jī)床在筋板設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，使床身內(nèi)部筋板厚度更加合理，減輕機(jī)床床身質(zhì)量，減少了鑄鐵原材料的使用，節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了機(jī)床動(dòng)靜態(tài)性能，為同類型機(jī)床的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了更多的理論依據(jù)。對(duì)于設(shè)計(jì)水平的提高和優(yōu)化設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用，具有重要的實(shí)際價(jià)值和參考意義。1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究歷史與現(xiàn)狀 1.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概念的提出優(yōu)化設(shè)計(jì) (Optimal Design)概念的提出己有很長(zhǎng)的歷史，直到二十世紀(jì)70年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展它才真正成為一門實(shí)用技術(shù)，并且在優(yōu)化策略和算法上仍在不斷發(fā)展。它的基本思想是將工程設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化

15、為最優(yōu)化問題，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法，借助于計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算和邏輯判斷的巨大能力，從滿足設(shè)計(jì)要求的一切可行的方案中，按照預(yù)定的目標(biāo)，自動(dòng)尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的一種設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)同時(shí)又是一門新興學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算，能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，使期望的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，它可以成功地解、決解析其它方法難以解決的復(fù)雜問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)為工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，因而采用這種設(shè)計(jì)方法能大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)是以建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，優(yōu)化設(shè)計(jì)引用了一些新的概念和術(shù)語(yǔ)，如前所述的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件等。優(yōu)化設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

16、是被動(dòng)地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能，而不是主動(dòng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)。作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)不僅要求方案可行、合理，而且應(yīng)該是某些指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案，并從大量的可行設(shè)計(jì)方案中找出一種最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)可以滿足多方面的性能要求，產(chǎn)品要求總體結(jié)構(gòu)尺寸小，傳動(dòng)效率高，生產(chǎn)成本低等，這些要求用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)是無(wú)法解決的。實(shí)踐證明，最優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良的性能，減輕自重或體積，降低工程造價(jià)的一種有效設(shè)計(jì)方法。有助于考察設(shè)計(jì)結(jié)果，從而可以提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量1。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一是如何將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為確切反映問題實(shí)質(zhì)并適合于優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，建立數(shù)學(xué)模型包括：選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變

17、量，建立優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)問題所要求的最優(yōu)指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式，約束條件反映的是設(shè)計(jì)變量取得范圍和相互之間的關(guān)系；二是如何求得該數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解：可歸結(jié)為在給定的條件下求目標(biāo)函數(shù)的極值或最優(yōu)值的問題1。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要流程如下圖1.1所示圖1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)過程 1.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的歷史與現(xiàn)狀1960年，L.A.schmit首先提出甩數(shù)學(xué)規(guī)劃方法求解多種載荷情況下彈性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在諸如應(yīng)力、位移、頻率等性態(tài)函數(shù)約束下的“n，為設(shè)計(jì)空間求解目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)極值問題。1986年以后，Venkayya和Gellatlv又研究發(fā)展了結(jié)構(gòu)優(yōu)

18、化的最佳性準(zhǔn)則法，導(dǎo)出了應(yīng)力、位移、頻率、屈曲、顫振等約束條件下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最佳準(zhǔn)則，編制了基于有限元分析和相應(yīng)準(zhǔn)則的大型優(yōu)化程序，如OPTIM、ASOP、FASTOP、OPTEOMP、NESAP等。20世紀(jì)70年代末，Knot、Berke和Venkayya對(duì)最佳性準(zhǔn)則法的研究表明，各種迭代公式之間有著密切的關(guān)系，而且某些關(guān)系式可以用非線性規(guī)劃的投影方法導(dǎo)出。同時(shí)Fleury在原有最佳性準(zhǔn)則方法基礎(chǔ)上提出了廣義最佳準(zhǔn)則性以及用對(duì)偶公式求解結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的算法。我國(guó)的優(yōu)化設(shè)計(jì)于20世紀(jì)60年代開始起步，70年代末進(jìn)入迅速發(fā)展期。錢希令教授作為我國(guó)計(jì)算力學(xué)的創(chuàng)始人，為我國(guó)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究和推

19、廣應(yīng)用作出了巨大貢獻(xiàn)。此后國(guó)內(nèi)科技工作者在結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面都取得一定的成績(jī)，發(fā)表的工作報(bào)告和論文有上百篇，出版了一批結(jié)構(gòu)優(yōu)化譯本和書籍，如Cea、R.H.Gallgher、n.Jwilde、Richard.L.Fox、D.M.Himmelban等中文譯本以及國(guó)內(nèi)學(xué)者如余俊、陳耿東、薛嘉慶等20-28關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)的著作，都為80年代中后期我國(guó)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用工作奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，尤其在航空、國(guó)防、造船、機(jī)械、土建等領(lǐng)域，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用得最為普及。此外，數(shù)學(xué)規(guī)劃和最佳性準(zhǔn)則兩大類優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法都得到了應(yīng)用，并導(dǎo)出了二者統(tǒng)一的條件，從而實(shí)現(xiàn)了兩類方法的相互配合，促進(jìn)了優(yōu)化理論的發(fā)

20、展，如從尺寸優(yōu)化發(fā)展到結(jié)構(gòu)的幾何形狀優(yōu)化，從單目標(biāo)優(yōu)化發(fā)展到多目標(biāo)優(yōu)化，從確定性優(yōu)化發(fā)展到模糊優(yōu)化等。優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展是結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化，并走向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、專家系統(tǒng)和人工智能相結(jié)合的全新領(lǐng)域。如今，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的一個(gè)重要分支，在世界各地都受到了重視和應(yīng)用，無(wú)論是在基礎(chǔ)理路研究或是工程實(shí)際應(yīng)用，都取得令人矚目的成就。根據(jù)有關(guān)資料介紹，美國(guó)貝爾(Bell)飛機(jī)公司采用優(yōu)化方法解決具有450個(gè)設(shè)計(jì)變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，使一個(gè)飛機(jī)機(jī)翼的質(zhì)量減輕了35%。美國(guó)波音(Boeing)公司對(duì)747飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，收到增加載員數(shù)、減輕質(zhì)量、縮短生

21、產(chǎn)周期和降低成本的效果。某鋼鐵公司對(duì)德國(guó)DMAG公司引進(jìn)的 1700薄板軋機(jī)進(jìn)行優(yōu)化修改，在生產(chǎn)中增加了幾百萬(wàn)馬克的贏利1。在國(guó)外，美國(guó)Lowa州立大學(xué)的J.M.vance與Isu研究中心的T.P.Yeh等學(xué)者應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，Michigan大學(xué)的T.jang和M.chiredastls在應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)的聯(lián)接形式，建立整機(jī)的模型井對(duì)機(jī)床結(jié)合面的聯(lián)接件的位置和數(shù)量進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，美國(guó)Ford、GM等著名汽車制造公司利用拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)汽車簡(jiǎn)單薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；Fox和Kapoor假設(shè)一種簡(jiǎn)化外部瞬態(tài)

22、載荷形式，以便刪除各種約束時(shí)間的依賴性，并在此情況下，考慮了位移和應(yīng)力約束下結(jié)構(gòu)的最小質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。Hsieh和Arora進(jìn)一步研究了動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化問題方面逆點(diǎn)狀態(tài)變量約束的處理方法；Adelman和Haftka概述了任意載荷作用下動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的靈敏度理論在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況；W.H.Greene和R.T.Haftka解決了結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中靈敏度計(jì)算等關(guān)鍵問題；文獻(xiàn)對(duì)于承受動(dòng)載荷的平面框架的最小質(zhì)量設(shè)計(jì)發(fā)展了一種其約束主要是動(dòng)態(tài)位移，動(dòng)態(tài)應(yīng)力，自然頻率及部件尺寸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，陳新、張學(xué)良等應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)；尹志宏、廖伯瑜等人對(duì)平面磨床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)

23、化設(shè)計(jì)，建立了主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，以主軸外伸點(diǎn)撓度最小為目標(biāo)函數(shù)，并滿足主軸重量及固頻的約束條件，達(dá)到了優(yōu)化主軸系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能的目的；高彤、張衛(wèi)采用了雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法(BESO)研究循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問題，并針對(duì)循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的特殊性，提出靈敏度密度新概念及加權(quán)靈敏度密度過濾新方法。李爍、徐元銘等人針對(duì)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)近似分析響應(yīng)面來(lái)反映結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入與結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出的全局映射關(guān)系的優(yōu)化方法；湯文成、易紅對(duì)床身結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析和研究得出改變床身的筋板類型和布局設(shè)計(jì)是提高床身結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性的有效手段，并且提出了以導(dǎo)

24、軌的振動(dòng)變形量作為床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，建立了床身的結(jié)構(gòu)模型，以床身的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，各設(shè)計(jì)變量對(duì)床身動(dòng)態(tài)性能貢獻(xiàn)加權(quán)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，最后得到最優(yōu)的床身設(shè)計(jì)方案，同時(shí)在機(jī)床的參數(shù)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了有益的嘗試1。1.2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)將機(jī)械設(shè)計(jì)的具體要求構(gòu)造成數(shù)學(xué)模型，將機(jī)械設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)學(xué)規(guī)劃命題，逐步求解這個(gè)規(guī)劃命題，使其最佳地滿足設(shè)計(jì)要求，從而獲得可行方案中的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，改變了過去那種憑借經(jīng)驗(yàn)或直觀判斷來(lái)確定結(jié)構(gòu)方案，或者在滿足強(qiáng)度要求前提下，先確定結(jié)構(gòu)方案，再根據(jù)安全壽

25、命準(zhǔn)則對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行剛度分析、校核、修改，從而確定結(jié)構(gòu)尺寸的方法。而是借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用一些精確度較高的力學(xué)、數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)行分析計(jì)算，并從大量的可行設(shè)計(jì)方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)用理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用精確計(jì)算代替近似計(jì)算。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求越來(lái)越高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來(lái)越快，這就要求廣大設(shè)計(jì)工作者掌握更加科學(xué)的工程設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具，以適應(yīng)生產(chǎn)力迅速發(fā)展的現(xiàn)代市場(chǎng)需要。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)正是以最低的成本獲得最好的效益，是設(shè)計(jì)工作者一直追求的目標(biāo)?？偟目磥?lái)，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)代化要求發(fā)展起來(lái)的，是一門嶄新的學(xué)科。它是在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上

26、提出的一種更科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，它可使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量達(dá)到更高的要求。在近代，優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法一般可節(jié)省材料7一40%，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越受到人們重視。目前，將機(jī)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決在設(shè)計(jì)階段成為機(jī)床動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。這就要求有一整套比較完善的虛擬仿真試驗(yàn)才能完成，而試驗(yàn)的準(zhǔn)確程度是影響動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的主要因素。國(guó)內(nèi)外機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)存在較大的差距。其國(guó)外制造業(yè)水平發(fā)達(dá)國(guó)家能把機(jī)床的動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，通過虛擬試驗(yàn)，對(duì)所提出的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)的修改設(shè)計(jì)方案，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)成本，并能從

27、設(shè)計(jì)的初期階段到最終的設(shè)計(jì)方案確定，始終把結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想貫穿于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)仍局限于廣義意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其實(shí)質(zhì)是“方案比較”，的優(yōu)化設(shè)計(jì)。其優(yōu)化效果的好壞往往取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的虛擬開發(fā)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者制定的目標(biāo)函數(shù)與約束條件自動(dòng)完成的優(yōu)化結(jié)果搜索的“自動(dòng)優(yōu)化”，僅在簡(jiǎn)單零件上能夠?qū)崿F(xiàn)，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法和優(yōu)化準(zhǔn)則，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)來(lái)完成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化過程，這種自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)還有大量的理論工作和實(shí)際問題有待解決。國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)基本上還采用人機(jī)交互設(shè)計(jì)的方式，在自由度不多的系統(tǒng)和部件子結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3課題的研究?jī)?nèi)容與工作1.3.

28、1課題的研究對(duì)象本論文課題研究基于某型數(shù)控機(jī)床床身改進(jìn)項(xiàng)目。課題為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床高速、高精度的加工要求，需對(duì)原有床身進(jìn)行機(jī)床機(jī)構(gòu)改進(jìn)，重設(shè)計(jì)內(nèi)部筋板尺寸以提高床身整體動(dòng)態(tài)性能，適應(yīng)機(jī)床高性能加工要求。 1.3.2論文的主要研究?jī)?nèi)容和工作本論文課題研究源于機(jī)床設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際需求，是以現(xiàn)有的機(jī)床產(chǎn)品的床身進(jìn)行性能升級(jí)為研究對(duì)象，以結(jié)構(gòu)機(jī)械特性理論和現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為理論支撐，運(yùn)用有限元分析技術(shù)和強(qiáng)大的優(yōu)化軟件 ANSYS Workbench為分析平臺(tái)，對(duì)新設(shè)計(jì)的機(jī)床床身機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文研究的主要內(nèi)容是圍繞機(jī)床床身優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行的，研究對(duì)象為數(shù)控機(jī)床床身。在機(jī)床的各部件中，床身是一個(gè)極其

29、重要的大件，它是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和支架，機(jī)床的其它部件，要以它為安裝、固定的基礎(chǔ)，或是在它的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。床身的結(jié)構(gòu)尺寸和布局形式，決定了其本身的各種動(dòng)態(tài)特性。床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或剛度不足，會(huì)引起床身的各種變形和振動(dòng)，嚴(yán)重影響整機(jī)的性能。在借鑒目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)機(jī)床設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)某型號(hào)數(shù)控機(jī)床在床身選型、筋板設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化來(lái)提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能，本文從工程實(shí)際出發(fā)，有重要的實(shí)際價(jià)值和參考意義。論文研究的方法有以下兩點(diǎn)：(1)用最優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論體系和方法對(duì)擬采用的床身結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行以筋板厚度為設(shè)計(jì)變量，實(shí)體質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；(2)理論建模分析，借助動(dòng)態(tài)特性理論分析方法，對(duì)性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；并

30、對(duì)比鑄鐵床身性能，得出床身性能評(píng)價(jià)結(jié)論。1.4本章小結(jié)本章從課題研究的對(duì)象出發(fā)，闡述了課題研究的背景及意義，結(jié)合解決課題研究對(duì)象的方法出發(fā)，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究歷史與現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。重點(diǎn)闡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)床結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用在床身的應(yīng)用。在本章的最后，說明了課題研究的內(nèi)容和方法，作為本文的綱要，為本論文的指導(dǎo)思想。2 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐的不斷發(fā)展，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了根本的變革，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)逐步從經(jīng)驗(yàn)、感性和類比為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法向科學(xué)、理性和足于計(jì)算分析的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法過渡。優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，建立在優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)之上。對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，本質(zhì)上就是

31、用計(jì)算機(jī)高速地完成“設(shè)計(jì)一評(píng)價(jià)一再設(shè)計(jì)”的尋優(yōu)過程。因此，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化過程進(jìn)行探討，在實(shí)際工程應(yīng)用中有很深的指導(dǎo)意義。2.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立與求解2.1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型是關(guān)鍵的一步，直接影響優(yōu)化設(shè)計(jì)的質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作一般包含一下兩方面的內(nèi)容：一是將生產(chǎn)實(shí)踐或科技工作所提出的設(shè)計(jì)問題抽象為最優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型；二是對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析與求解。優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型是實(shí)際優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)抽象，是解決最優(yōu)化問題的關(guān)鍵。正確的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該可以準(zhǔn)確地表達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的本質(zhì)，易于處理和計(jì)算。假如設(shè)某項(xiàng) 設(shè)計(jì)有n個(gè)設(shè)計(jì)變量，數(shù)學(xué)模型則可表述為：X=x1,x

32、2,x3,xnT (XRn) (2-1)在滿足： gv(X)=gj(x1,x2,x3,xn)0 (v=1,2,m) (2-2) hu(X)=hj(x1,x2,x3,xn)=0 (u=1,2,pn) (2-3)的約束下，求解目標(biāo)函數(shù)： (X)=(x1,x2,x3,xn) (2-4)最大值或者最小值。這樣的優(yōu)化問題一般稱作“數(shù)學(xué)規(guī)劃問題”，整合上述信息，可得到優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型一般形式為： (2-5) 其中，s.t.是英文subject to的縮寫。由上式可見，優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包含了三個(gè)要素：設(shè)計(jì)變量X、目標(biāo)函數(shù)(X) 和約束條件(gv(X)0與hu(X)=0)。2.1.2 數(shù)學(xué)模型的求解優(yōu)

33、化問題數(shù)學(xué)模型求解的方法，從廣義上都可以認(rèn)為來(lái)源于拉格朗日求極值的問題。對(duì)目標(biāo)函數(shù)受到約束條件限制的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行探討，可以清楚表示優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解。設(shè)目標(biāo)函數(shù)(X)與約束函數(shù)hu (X)，gv (X)均為可微函數(shù)。引入松弛變量av，把不等式約束化成等式約束，就可將拉格朗日乘子法推廣到求解帶有不等式約束的極值問題。令 gv(X)+av2=0 (2-6)av取平方，是為了確保gv(X)0。于是可以構(gòu)造如下拉格朗日函數(shù)： (2-7)式中Tu、Xv分別是對(duì)應(yīng)于等式約束hu(X)=0與不等式約束gv(X)0的拉格日乘子。所以優(yōu)化函數(shù)的最優(yōu)解必須滿足的條件和拉格朗日的極值條件，這兩者之間是等價(jià)的，即：

34、(2-8)上式中的條件有三種情況，對(duì)其分別討論，如下：(1) 若Xv=0，而av0，則gv (X)0，說明最優(yōu)解在約束邊界以內(nèi)，該約束條件不起作用，上述條件可知，這是無(wú)約束的極值條件，可以看做是一種有約束的特殊情況；(2) av=0，而Xv0，則gv (X)=0，說明最優(yōu)解在第v個(gè)約束邊界上，該約束條件是起作用的。由于Xv0，所以這是有約束的最優(yōu)化問題；(3) av =0，Xv=0，gv (X) =0，說明最優(yōu)解位于約束邊界上，而且約束邊界恰好過無(wú)約束最優(yōu)點(diǎn)。2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)能滿足多方面的性能要求，這些要求是使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)是無(wú)法解決的。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

35、存在著以下特點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)與分析平行；從結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到具體設(shè)計(jì)方案比較與確定以及設(shè)計(jì)方案的模擬試驗(yàn)等，都是以滿足一定性能要求作為目標(biāo)。床身結(jié)構(gòu)的各個(gè)設(shè)計(jì)階段均具有結(jié)構(gòu)分析的參與，床身結(jié)構(gòu)分析貫穿著整個(gè)設(shè)計(jì)的過程，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思想被用于各個(gè)設(shè)計(jì)階段；(2) 大量虛擬試驗(yàn)替代實(shí)物試驗(yàn)；虛擬試驗(yàn)不僅能夠在沒有實(shí)物的情況下進(jìn)行，而且實(shí)施非常迅速、信息量很大。利用虛擬試驗(yàn)，一方面能夠在多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)的方案，降低設(shè)計(jì)的盲目性，另一方面能夠盡早發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)中存在的問題。從而減少成本，縮短周期。優(yōu)化的理念貫穿著整個(gè)設(shè)計(jì)的過程。然而，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，例如復(fù)雜機(jī)床床身的設(shè)計(jì)，最優(yōu)設(shè)計(jì)理論無(wú)法運(yùn)用

36、于整個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的目標(biāo)尋優(yōu)。這里的優(yōu)化既包括了狹義優(yōu)化又包括了廣義優(yōu)化，前者是指最優(yōu)化過程的目標(biāo)尋優(yōu)，后者則包括更加廣泛意義上的優(yōu)化，如材料，方案等方面的優(yōu)化，其優(yōu)化效果的好壞一般由設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)決定。優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用上，具有很大的實(shí)際意義。2.3優(yōu)化軟件的應(yīng)用與響應(yīng)面法介紹ANSYS workbench是一種CAE分析軟件環(huán)境和應(yīng)用平臺(tái)。它提供了統(tǒng)一的管理和開發(fā)CAE信息的工作環(huán)境，提供了高級(jí)功能的易用性，獨(dú)特的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與大量支撐性的產(chǎn)品模塊為產(chǎn)品整機(jī)、多場(chǎng)藕合的分析提供了非常優(yōu)秀的解決方案。 ANSYS Workbench包括CAE建模工具 Design Modeler，分析工具Des

37、ign simulation以及優(yōu)化分析 Design Xplorer，將設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化集成于一體。參數(shù)化建模工具和先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)，代表了CAE的發(fā)展方向，將CAE的易用性提高了一個(gè)新的臺(tái)階。AWE(ANSYS Workbench Environment)環(huán)境能直接打開各種CAD軟件的零件模型，并在其統(tǒng)一的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)任意的模型裝配和CAE分析。整合相同和不同CAD軟件模型數(shù)據(jù)可以得到CAE分析用的CAD模型庫(kù)，這些模型庫(kù)里保留CAD中的設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過聯(lián)接技術(shù)實(shí)現(xiàn)與CAD的軟件之間的共享，它的優(yōu)點(diǎn)是任何CAD和CAE人員對(duì)設(shè)計(jì)的改變都可以立即反映到對(duì)方軟件中去，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真的同步協(xié)同。與

38、其他有限元分析軟件相比較，ANSYS Workbench有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：(l) 軟件和模型數(shù)據(jù)整合在AWE環(huán)境中建立仿真分析模型，調(diào)用CAE軟件作為求解器執(zhí)行仿真分析，并允許進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。整合所得CAD模型經(jīng)過網(wǎng)格化分、施加載荷與邊界條件，然后使用CAE程序分析求解，再給予CAE分析進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。(2)CAD-CAE數(shù)據(jù)共享與交換在ANSYS AWE環(huán)境中，CAD-CAE之間是通過聯(lián)接的方式共享模型數(shù)據(jù)，包括尺寸參數(shù)和裝配參數(shù)等，可實(shí)現(xiàn)雙向的參數(shù)互動(dòng)。(3)客戶化及行業(yè)化開發(fā)平臺(tái)ANSYS Workbench協(xié)同仿真環(huán)境作為一個(gè)開放性應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)不僅構(gòu)建了一個(gè)系統(tǒng)集成以及設(shè)計(jì)仿真的協(xié)同環(huán)境，

39、而且還可實(shí)現(xiàn)各種產(chǎn)品型號(hào)或系統(tǒng)專用的研發(fā)平臺(tái)的開發(fā)。(4)求解速度快，整合應(yīng)用強(qiáng)Workbench協(xié)同環(huán)境構(gòu)架下，占用的內(nèi)存比較少，求解速度較快。其各種核心的功能都可以實(shí)現(xiàn)整合和利用，還有自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告等輔助功能。ANSYS Workbench可實(shí)現(xiàn)企業(yè)CAD/CAE的協(xié)同設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)管理，并且能實(shí)現(xiàn)企業(yè)研發(fā)中心專用的設(shè)計(jì)分析平臺(tái)開發(fā)。它的協(xié)同仿真環(huán)境適應(yīng)企業(yè)的需求，為企業(yè)搭建了一個(gè)仿真分析的平臺(tái)，良好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)、仿真分析和試驗(yàn)的協(xié)同管理，從而促進(jìn)了研發(fā)過程的正規(guī)化、流程化和統(tǒng)一化，便于研發(fā)的管理和控制，而且極大提高了研發(fā)的效率，降低研發(fā)的成本，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。2.4 響應(yīng)面法介紹隨著計(jì)

40、算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算科學(xué)不斷深入，工程計(jì)算模型越來(lái)越復(fù)雜，計(jì)算規(guī)模越來(lái)越大，需要花費(fèi)的機(jī)時(shí)越來(lái)越長(zhǎng)。同時(shí)，又有許多工程問題的目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)變量經(jīng)常是不光滑的或者具有強(qiáng)烈的非線性。基于這樣的情況，科學(xué)家和工程師都希望找出新的高效可靠的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法以滿足工程優(yōu)化計(jì)算的需要。一個(gè)漸進(jìn)近似的優(yōu)化方法能很好地解決這種既耗機(jī)時(shí)又非光滑的優(yōu)化問題，它就是響應(yīng)面法( Response Surface Methodology簡(jiǎn)稱：RSM)。RSM是數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合的產(chǎn)物，是用來(lái)對(duì)所感興趣的響應(yīng)受多個(gè)變量影響的問題進(jìn)行建模和分析的，其最終目的是優(yōu)化該響應(yīng)值。由于RSM把仿真過程看成一個(gè)黑匣

41、子，能夠較為簡(jiǎn)便地與隨機(jī)仿真和確定性仿真問題結(jié)合起來(lái)，所以得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著響應(yīng)面法理論的完善和發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)性能的提高，RSM也得到了工程界的重視，響應(yīng)面法頻繁地被用于解決各種工程問題。與此之外，優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性分析、計(jì)算，動(dòng)力學(xué)研究，工程過程控制等方面也涉及到了響應(yīng)面法的應(yīng)用。這里主要介紹響應(yīng)面法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、可靠性分析和車輛動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用。2.5 本章小結(jié)本章從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論與優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的求解：建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，分析了數(shù)學(xué)模型中的各元素之間的相互作用以及目標(biāo)求解的方法；針對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助機(jī)械特性理論，建立方程。本章重點(diǎn)闡述優(yōu)化理論的應(yīng)用以及在優(yōu)

42、化過程使用的響應(yīng)面分析法，為下面幾章的工程分析在理論上奠定了基礎(chǔ)。3 Pro/E與機(jī)床床身建模設(shè)計(jì)3.1 Pro/E軟件概述與特點(diǎn)3.1.1 Pro/E軟件的概述Pro/Engineer操作HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品

43、設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊，以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。3.1.2 Pro/E軟件的特點(diǎn)(1)單一數(shù)據(jù)庫(kù)Pro/E是建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫(kù)上，而一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)是建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上，用Pro/E進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在整個(gè)過程中任何一處發(fā)生任何變動(dòng)，都可反映到整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整結(jié)合，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更方便、更優(yōu)化、更高質(zhì)、成本更

44、低。(2)基于特征的參數(shù)化建模參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。參數(shù)化建模通過調(diào)整幾何參數(shù)來(lái)修改和控制幾何圖形，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型，這些幾何參數(shù)包括模型定型、定位尺寸等。不同于CAD設(shè)計(jì)以圖形線條為設(shè)計(jì)元素，Pro/E以參數(shù)為設(shè)計(jì)元素，從構(gòu)建特征入手，建立零件數(shù)字化模塊，參數(shù)化技術(shù)以約束為核心，優(yōu)點(diǎn)主要有：對(duì)設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低，提高了設(shè)計(jì)的柔性；便于系列化設(shè)計(jì)，同種規(guī)格的零件，不同尺寸系列可在一次設(shè)計(jì)成型后通過修改尺寸得到，節(jié)省了大量的重復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)便快捷，為數(shù)字化制造建立了基礎(chǔ)；便于隨時(shí)編輯、修改，滿足反復(fù)設(shè)計(jì)要求。(3)完全相關(guān)行相關(guān)性是指所

45、有的Pro/E功能都相互關(guān)聯(lián)，用戶在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中的任一環(huán)節(jié)進(jìn)行的修改都將影響到整個(gè)設(shè)計(jì)，同時(shí)自動(dòng)的將模型裝配、平面工程圖、模型加工數(shù)據(jù)等工程文檔進(jìn)行更新。(4)工程數(shù)據(jù)在利用三維實(shí)體造型將三維實(shí)體模型用于機(jī)械產(chǎn)品的CAD/CAE/CAM過程，用戶可隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、慣性矩等相關(guān)的物理量、幾何量，可迅速了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，掌握產(chǎn)品的信息，減少人為計(jì)算時(shí)間。3.2 數(shù)控機(jī)床身整體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)要完成數(shù)控機(jī)床的床身建模，在該機(jī)床床身設(shè)計(jì)中，需要求設(shè)計(jì)的機(jī)床床身可以優(yōu)化過程，所以不需要考慮螺釘孔等影響整體受力的部分。床身示意圖，圖3.1。(a) 機(jī)床床身正側(cè)面圖(b) 機(jī)床床身底側(cè)面圖圖

46、3.1 床身示意圖機(jī)床長(zhǎng)2490mm，高500mm，最大寬度2220mm，最小寬度2020mm，外壁厚25mm，筋板厚20mm，導(dǎo)軌長(zhǎng)1745mm。床身內(nèi)部筋板布局及樣式如圖3.1(b)，內(nèi)部筋板采用從橫交錯(cuò)的“米”字型，在保證剛度的情況下減輕床身質(zhì)量。3.3 機(jī)床床身設(shè)計(jì)對(duì)于擬采用的機(jī)床床身模型，只需采用拉伸特征與倒圓角特征即可晚上機(jī)床床身的三維模型設(shè)計(jì)。首先，將機(jī)床床身的大體形狀拉伸出來(lái)，再在頂面添加機(jī)床導(dǎo)軌拉伸特征，在底部利用去除材料拉伸添加空洞特征。然后，添加筋板特征的拉伸，為了之后的便于優(yōu)化設(shè)計(jì)，這里將筋板分為兩部分(A組，B組)拉伸，如圖3.2所示。最后，在接縫處需要圓角的地方，添

47、加倒圓角特征。 (a) A組筋板 (b) B組筋板圖3.2 床身筋板示意圖3.4 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)分析和講述了在Pro/E三維建模軟件中完成數(shù)控機(jī)床床身的設(shè)計(jì)。對(duì)Pro/E三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行了介紹。分析了機(jī)床床身的三維建模過程。在這個(gè)過程中，我們完成了機(jī)床床身的設(shè)計(jì)。為以后的AWE有限元分析以及優(yōu)化做好前期準(zhǔn)備。4 基于ANSYS Workbench的機(jī)床床身有限元分析 身進(jìn)行靜力分析，得到應(yīng)力安全因數(shù)即應(yīng)力與許用應(yīng)力之比、床身實(shí)體質(zhì)量、床身變形量特征參數(shù)，再對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行模態(tài)分析，得到其一至三階的固有頻率。并且利用這些特征參數(shù)第四章對(duì)機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化分析。4.1 床身設(shè)計(jì)變量的預(yù)處理機(jī)床床身

48、尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和實(shí)際工程相結(jié)合的一種現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，也要遵循最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的法則：在進(jìn)行床身優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，需要設(shè)置設(shè)計(jì)變量以及目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，獲取目標(biāo)函數(shù)是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中重要的環(huán)節(jié)，也是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要決策，它將會(huì)影響最優(yōu)方案的實(shí)用價(jià)值。設(shè)計(jì)變量的提取是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)首先要完成環(huán)節(jié)。由床身結(jié)構(gòu)可知，內(nèi)部筋板厚度對(duì)床身的性能有重要影響。所以在優(yōu)化過程中將筋板的厚度作為設(shè)計(jì)變量，考察對(duì)床身靜態(tài)特性的影響，具有實(shí)際的工程意義。設(shè)計(jì)變量的提取是在優(yōu)化前階段進(jìn)行的，設(shè)計(jì)變量可以是在AWE中形成，也可以在CAD三維軟件中形成。鑒于機(jī)床床身的復(fù)雜性，將模型

49、建立在Pro/E中，并在Pro/E中提取設(shè)計(jì)變量。在Pro/E中建立床身的三維實(shí)體模型之后，如圖4.1： (a) 床身頂側(cè)面 (b) 床身底側(cè)面圖4.1 機(jī)床床身三維實(shí)體由于筋板數(shù)量過多，為了便于優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算，縮短計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化優(yōu)化過程，將所有筋板編為兩組(A組、B組)。選擇筋板尺寸屬性，修改變量名稱，分別將A、B兩組筋板命名為：dsd123456、dsd654321。設(shè)計(jì)變量參數(shù)在Pro/E中設(shè)置好之后，在Pro/E工具欄中的“ANSYS 13.0”選項(xiàng)中點(diǎn)擊“Workbench”按鈕，將實(shí)體模型與設(shè)計(jì)變量參數(shù)一起傳遞到ANSYS Workbench中，以便接下來(lái)的優(yōu)化分析。在AN

50、SYS Workbench中，將“Geometry”參數(shù)中的“Smart CAD Update”激活，這樣在ANSYS Workbench對(duì)筋板尺寸進(jìn)行優(yōu)化修改之后，可以直接在Pro/E中生成新的三維實(shí)體模型。然后選擇“Static Structure”模塊，在“Geometry”的“Details of View”窗口中將A組與B組筋板的dsd123456、dsd654321選中，在ANSYS Workbench的操作面板就會(huì)變成如圖4.2，這樣就已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)變量的設(shè)置。4.2 修改機(jī)床床身材料由于ANSYS Workbench默認(rèn)的機(jī)械模型材料為結(jié)構(gòu)鋼(Structural Steel)

51、，所以要自己將床身材料改為鑄鐵。雙擊“Static Structure”模塊中的“Engineering data”，然后添加Gray Cast Iron材料，刪除Structural Steel材料。并且要編輯Gray Cast Iron的拉、壓屈服極限的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭梢哉J(rèn)為鑄鐵沒有屈服極限，ANSYS Workbench中默認(rèn)的鑄鐵屈服極限為0，但這會(huì)引起在作靜力分析的時(shí)候?qū)е掳踩驍?shù)為零的錯(cuò)誤，所以在這里將鑄鐵的拉、壓屈服極限修改為與拉、壓強(qiáng)度極限相同。圖4.2 ANSYS Workbench的操作面板4.3 床身靜、動(dòng)力學(xué)分析與目標(biāo)函數(shù)的預(yù)處理 4.3.1 靜力分析與實(shí)體質(zhì)量、安全因數(shù)、

52、總變形的獲取雙擊“Static Structure”模塊中的“Model”，在該模式中，先右擊“mesh”劃分網(wǎng)格網(wǎng)格，會(huì)得到如圖4.3的三維網(wǎng)格模型：圖4.3 的三維網(wǎng)格模型在此基礎(chǔ)上，添加靜力荷載與固定支撐。根據(jù)該機(jī)床床身模型，添加如圖4.4所示的兩處添加荷載為7MPa的均勻載荷(pressure)： (a) 載荷1 (b) 載荷 2圖4.4 均勻荷載示意圖在底部添加固定支撐(fix support)，如圖4.5：圖4.5 底部固定支撐然后對(duì)其進(jìn)行靜力求解計(jì)算，將結(jié)果“Solution”中的“Equivalent Stress”、“Total Deformation”、“Stress To

53、ol”中的“Safety Factor”全部選出來(lái)，點(diǎn)擊“Solution”的右擊菜單中“Evaluate All Result”列出所有結(jié)果，應(yīng)力圖(圖4.6)；安全因數(shù)圖(圖4.7)；床身變形圖(圖4.8)分別如下所示：圖4.6 應(yīng)力圖圖4.7 應(yīng)力安全因數(shù)圖并且在“Details ofSafety Factor”與“Details ofGeometry”窗口中將應(yīng)力安全因數(shù)1.5076、床身質(zhì)量3781.4kg設(shè)置為特征參數(shù)。至此，床身的靜力分析過程已經(jīng)全部完成，而ANSYS Workbench的操作面板會(huì)變?yōu)槿鐖D4.9所示的模塊網(wǎng)格：圖4.8 床身變形圖圖4.9 ANSYS Workb

54、ench的操作面板 4.3.2 模態(tài)分析與固有頻率的獲取 模態(tài)分析是借助振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對(duì)數(shù)控機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)性能分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化的方法，也是確定薄弱環(huán)節(jié)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)振動(dòng)形態(tài)的有效方法。在模態(tài)分析的過程中，在處理模型材料的屬性、結(jié)合面處理、劃分網(wǎng)格、邊界條件等問題時(shí)與靜力分析過程十分相似，無(wú)需對(duì)模型施加任何載荷。整個(gè)模態(tài)分析操作過程與精力分析極其相似，其操作過程可參考4.3.1中的步驟。在ANSYS Workbench中，選擇“Modal”模塊，“Static Structure”模塊與“Modal”模塊同時(shí)運(yùn)行，以便在動(dòng)靜力學(xué)分析之后，將二者的分析結(jié)果綜合起來(lái)對(duì)床身進(jìn)行優(yōu)化。在“Moda

55、l”模塊中的“Engineering data”修改床身材料，該步驟與第4.3.1節(jié)講述的完全相同。然后進(jìn)入“Modal”模塊中的“Model”功能，在該功能中劃分網(wǎng)格(參照第4.3.1節(jié))，再在底部添加固定支撐，如圖4.11所示，求解。將“Solution”中的“Element Triads”選出，再在“Details ofElement Triads”窗口中的“Mode”中選擇振型階次，點(diǎn)擊“Solution”的右擊菜單中“Evaluate All Result”列出所有結(jié)果，得出一至三階的振動(dòng)頻率圖如圖4.12所示。將“Details ofElement Triads”窗口中的一階固有頻

56、率“Reported Frequency”特征參數(shù)。ANSYS Workbench的操作面板變?yōu)槿鐖D4.10所示。圖4.12 ANSYS Workbench的操作面板圖4.11 固定支撐一階振動(dòng)頻率二階振動(dòng)頻率三階振動(dòng)頻率圖4.12 固有頻率圖4.4本章小節(jié) 本章重點(diǎn)分析和講述了在ANSYS Workbench優(yōu)化環(huán)境下的床身動(dòng)靜力學(xué)分析。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量獲得及提取和設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)置進(jìn)行了討論和講述。分析了設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)的獲得以及床身動(dòng)靜力學(xué)分析過程。在這個(gè)過程中，我們得到靜、動(dòng)態(tài)分析的參數(shù)結(jié)果，如表4.1。表4-1 靜、動(dòng)態(tài)分析參數(shù)結(jié)果名稱安全因數(shù)床身質(zhì)量(kg)一階級(jí)固有頻率(Hz)數(shù)值1

57、.50763781.4220.015 機(jī)床床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析的目的就是優(yōu)化產(chǎn)品，利用第三章得到的結(jié)果，對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將數(shù)控機(jī)床床身筋板設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，安全因數(shù)與固有頻率設(shè)置為約束條件，數(shù)控機(jī)床床身的實(shí)體質(zhì)量設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)。約束條件為：安全因數(shù)1.5，固有頻率220.4。對(duì)目標(biāo)函數(shù)取最小值。從結(jié)構(gòu)上講，機(jī)床床身屬于筋板框型的結(jié)構(gòu)，筋板是支撐機(jī)床床身的重要部分，筋板厚度的壞好，會(huì)影響機(jī)床的性能和精度，如果設(shè)計(jì)不合理或剛度不足，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)機(jī)床的性能。但就機(jī)床本身而言，筋板的厚度有多種方案可供選擇，也有很多設(shè)計(jì)參數(shù)可供調(diào)整。如何將筋板的厚度調(diào)整至最佳狀態(tài)，以此來(lái)進(jìn)一步提高機(jī)床的整體性

58、能，是非常關(guān)鍵的工作。再得到最佳狀態(tài)的筋板厚度值之后，將ANSYS Workbench中的優(yōu)化結(jié)果返回到Pro/E中，形成新的三維實(shí)體模型，完成整個(gè)機(jī)床床身尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。5.1基于AWE的床身優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)AWE/Design Xplorer是基于DSDB數(shù)據(jù)庫(kù)文件的參數(shù)優(yōu)化工具，是結(jié)合CAD系統(tǒng)/AGP和Design Space/AWE進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，其過程為：在CAD系統(tǒng)/AGP中進(jìn)行參數(shù)化建模；在Design Space或AWE-simulation中進(jìn)行初步分析，并確定設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)；最后將數(shù)據(jù)無(wú)縫鏈接至Design Xplorer模塊中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。一個(gè)典型的AWE優(yōu)化過程通常

59、需要經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，后處理求解，優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)，優(yōu)化循環(huán)，設(shè)計(jì)變量狀態(tài)修正來(lái)進(jìn)行，其數(shù)值優(yōu)化的流程如上圖5.1所示。優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)化參數(shù)可以是CAD模型的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、施加的邊界條件、求解到的分析結(jié)果等，也可以是由這些參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后派生出來(lái)的參數(shù)，即可以進(jìn)行連續(xù)性參數(shù)和離散化參數(shù)的優(yōu)化，又可以進(jìn)行單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)空間的三維設(shè)計(jì)響應(yīng)面或二維設(shè)計(jì)曲線，并自動(dòng)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果更新幾何模型文件。因此，作為新一代多物理場(chǎng)協(xié)同CAE仿真環(huán)境，AWE以其獨(dú)特的產(chǎn)品架構(gòu)和眾多支撐性產(chǎn)品模塊能為產(chǎn)品的仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的解決方案。圖5.1 AWE數(shù)值優(yōu)化流程圖5.2設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)的獲得

60、 機(jī)床床身優(yōu)化設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與實(shí)際工程相結(jié)合的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。在應(yīng)用優(yōu)化方法對(duì)床身進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，同樣需要遵循最優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的基本法則：在進(jìn)行床身優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，需要設(shè)置設(shè)計(jì)變量及目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，建立目標(biāo)函數(shù)是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要決策，它將影響最優(yōu)方案的實(shí)用價(jià)值。5.3 獲取設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)5.3.1列出所有的優(yōu)化方案利用ANSYS Workbench中的“Response Surface Design Exploration”工具來(lái)有效地了解參數(shù)變化響應(yīng)是怎樣的結(jié)果。首先，將“Response Surface”拖入操作面板，得到如圖5.2所示畫面：雙