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电解加工机床滑枕部件结构拓扑优化设计

孙伦业 付志波 张星光 王龙 周庆宏

孙伦业, 付志波, 张星光, 王龙, 周庆宏. 电解加工机床滑枕部件结构拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术, 2018, 37(12): 1908-1913. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180080
引用本文: 孙伦业, 付志波, 张星光, 王龙, 周庆宏. 电解加工机床滑枕部件结构拓扑优化设计[J]. 机械科学与技术, 2018, 37(12): 1908-1913. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180080
Sun Lunye, Fu Zhibo, Zhang Xingguang, Wang Long, Zhou Qinghong. Topology Optimization Design of Ram Structure for ECM Machine Tool[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(12): 1908-1913. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180080
Citation: Sun Lunye, Fu Zhibo, Zhang Xingguang, Wang Long, Zhou Qinghong. Topology Optimization Design of Ram Structure for ECM Machine Tool[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(12): 1908-1913. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180080

电解加工机床滑枕部件结构拓扑优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180080
基金项目: 

安徽理工大学硕博基金项目 11136

安徽省自然科学基金项目 1508085QE94

国家自然科学基金项目 51505003

详细信息
    作者简介:

    孙伦业(1984-), 讲师, 博士, 研究方向为特种加工技术, 电解加工技术, sunlunye0113@163.com

  • 中图分类号: TG662

Topology Optimization Design of Ram Structure for ECM Machine Tool

  • 摘要: 滑枕是电解加工机床中的关键承载件,对机床的加工性能有至关重要的影响。针对滑枕部件的结构特点及受载情况,采用了设置加强筋提高滑枕结构刚度的技术方案,并对受力变形情况进行了有限元仿真分析。在此基础上,基于拓扑优化方法,建立多约束优化数学模型,利用评价函数将多目标问题转化为单目标问题求解,以最小质量作为优化目标函数,最大变形量作为约束条件,开展了优化设计并进行了灵敏度分析,以此获得了合理的加强筋布局和结构尺寸,在有效提高了滑枕部件刚度和承载稳定性的同时,实现了轻量化设计。该滑枕部件已实际应用于自行研制的电解加工机床中。
  • 图  1  电解加工机床进给机构模型

    图  2  滑枕部件加强筋设置

    图  3  简化后的滑枕模型

    图  4  滑枕的变形分布云图

    图  5  滑枕的等效应力分布图

    图  6  滑枕结构优化流程图

    图  7  设计变量示意图

    图  8  优化后的滑枕变形效果

    图  9  滑枕部件实物

    表  1  设计变量的变化区间

    设计变量 取值范围/mm 初始值/mm
    X1 20~30 20
    X2 10~18 18
    X3 0~50 50
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    表  2  不同结构形式的滑枕性能参数对比

    结构形式 X1/mm X2/mm X3/mm 最大变形量/mm 刚度/(N·mm-1) 质量/kg
    无加强筋 20 0 0 0.083 7 2.688×104 12.4
    有加强筋 20 18 50 0.005 28 4.261×105 16.59
    拓扑优化后 20.125 10.1 0.625 0.024 87 9.047×104 13.46
    下载: 导出CSV

    表  3  与滑枕最大变形量、刚度、质量有关的灵敏度和相对灵敏度

    设计变量 变形灵敏度
    ST
    刚度灵敏度
    SF/(N·mm-2)
    质量灵敏度
    SM/(kg·mm-1)
    相对灵敏度
    初值/mm 下限值/mm 上限值/mm ST/SM SF/SM
    X1 20 15 25 -0.003 132 7 730.923 7 0.361 1 -0.008 64 21 409.37
    X2 10 5 15 -0.001 265 3 528.107 6 0.0973 4 -0.012 99 36 245.19
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2018-01-28
  • 刊出日期:  2018-12-05

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