VX380T数控加工中心工作台拓扑分析及多目标参数优化设计

沈佳兴; 徐平; 于英华

doi:10.13433/j.cnki.1003-8728.20190058

VX380T数控加工中心工作台拓扑分析及多目标参数优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190058

沈佳兴^1,2,,
徐平^2, ,,
于英华²

1.
辽宁工程技术大学矿产资源开发利用技术及装备研究院, 辽宁阜新 123000
2.
辽宁工程技术大学机械工程学院, 辽宁阜新 123000

基金项目:

辽宁省教育厅科学技术研究（创新团队）项目 LN2010045

详细信息

作者简介:
沈佳兴(1990-), 讲师, 博士, 研究方向为机械系统动力学分析与控制, 329833309@qq.com

通讯作者:
徐平, 教授, 博士生导师, lnxuping@163.com

中图分类号: TH122
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出版历程
- 收稿日期: 2018-12-07
- 刊出日期: 2019-12-05

Topology Analysis and Multi-objective Optimization Design of VX380T CNC Machining Center Worktable

Shen Jiaxing^{1,2
,},
Xu Ping^{2
, ,},
Yu Yinghua²

1.
Research Institute of Technology and Equipment for the Exploitation and Utilization of Mineral Resources, Liaoning Technical University, Liaoning Fuxin 123000, China
2.
School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Liaoning Fuxin 123000, China

摘要

摘要: 为使VX380T数控加工中心工作台同时具有优越的静、动态性能和轻量化特点。利用拓扑分析的方法研究工作台截面的最佳载荷传递路径，依据拓扑分析结果设计了工作台的加强筋布局。将新结构工作台的整体质量和最大频响幅值为目标函数，以各加强筋的结构参数为设计变量，以原始工作台的静态性能和前3阶固有频率为约束条件进行多目标参数优化设计。对参数优化后工作台的质量、静动态性能进行对比分析，结果表明，其质量减轻了12.19%的同时，其静动态性能也得到了显著提高，证明了优化设计的可行性和有效性。
- 工作台 /
- 轻量化 /
- 静态性能 /
- 动态性能 /
- 拓扑分析 /
- 参数优化
Abstract: In order to make the VX380T CNC machining center worktable have superior static performance, dynamic performance and lightweight features, the optimal load transfer path of the worktable section was studied by the method of topological analysis. Based on the analysis results of the topology, the stiffener layout of the worktable was designed. A multi-objective parameter optimization of the redesigned worktable was carried out. The mass and harmonic response amplitude of the new worktable are taken as optimization objectives, the structural parameters ware taken as design variables, and the static performance and the natural frequencies of the original worktable was constraint condition. Comparing the optimized design result with the original one, the result showed that the worktable mass reduces by 12.19%, and the static and dynamic performance can be improved simultaneously. The feasibility and validity of optimal design are proved.
- worktable /
- lightweight /
- static performance /
- dynamic performance /
- topological analysis /
- parameter optimization

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图 1 加工中心原始工作台结构

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图 2 工作台有限元模型

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图 3 载荷和约束模型

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图 4 工作台最大静应力

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图 5 工作台最大静变形

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图 6 原始工作台振型

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图 7 谐响应振幅

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图 8 分析区和非分析区

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图 9 截面有限元模型

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图 10 工作台的伪密度云图

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图 11 工作台加强筋布局及设计变量

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图 12 综合目标函数迭代曲线

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图 13 优化后工作台最大静应力

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图 14 优化后工作台最大静变形

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图 15 优化后工作台的振型

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图 16 优化前后的频响曲线

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表 1 固有频率

阶数	1	2	3
频率/Hz	2 261.4	2 494.5	2 904.5

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表 2 设计变量的优化区间

变量	P₁	P₂	P₃	P₄	P₅	P₆	P₇	P₈	P₉	P₁₀	P₁₁
下限	5	125	105	5	6	10	5	10	30	20	5
上限	15	130	115	25	40	30	20	40	60	40	15
初值	5	130	115	10	12	20	10	30	40	20	10

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表 3 优化后各变量结果

P₁	P₂	P₃	P₄	P₅	P₆	P₇	P₈	P₉	P₁₀	P₁₁
5.3	129.4	109.5	8.4	24.1	17.3	9.7	28.4	37.7	23.5	7.1

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表 4 优化前后频率对比

阶数	优化前频率/Hz	优化后频率/Hz	变化率/%
1	2 261.4	2 624.8	+16.07
2	2 494.5	2 832.5	+13.55
3	2 904.5	3 650.2	+25.67

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表 5 最大振幅及减小率

名称	X轴	Y轴	Z轴
优化前振幅/μm	38.765	45.057	8.915 3
优化后振幅/μm	26.18	15.539	8.154 9
减小率/%	-32.46	-65.51	-8.53

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