基于ANSYS Workbench的DVG850工作台拓扑优化

　　1 引言

    　根据设计变量类型不同，结构优化可以分为：尺寸优化、形状优化、拓扑布局优化以及结构类型优化。近年来，尺寸优化、形状优化发展已经较为成熟，随着有限元方法、数学规划和计算机的发展，结构拓扑优化成为研究热点。结构拓扑优化是在给定的载倚及边界条件下，确定材料在设计卒间的最优分布。按照其研究对象可分为骨架类结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化。

    　工作台是DVG850高速立式加冲心的重要基础件，它静、动态特性直接影响机床的加上精度及精度稳定性。在机床工作台的设计中，人们总是希望在满足强度和刚度的条件下尽可能地减轻工作台的质量，因此，对工作台进行静刚度的分析及结构优化尤为重要。ANSYS Workbench软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，本文采用ANSYS Workbench软件对DVG850工作台进行静刚度分析及拓扑优化设计。

　　2 三维实体模型的建立

    　采用SolidWorks软件分别建立工作台、工件与丝杠母座的三维实体模型，并将它们组合成工作台装配体。考虑到一些细小特征对结构整体的性能影响很小，根据圣维南原理，对部分局部特征如倒角、凸台、螺钉孔等进行了适当的简化。简化模型既提高了有限元分析的效率，又不会明显影响工作台的刚度和强度。简化后工作台装配体模型，如图1所示。

图1 工作台装配体
1丝杠母座2．工作台3．工件

　　3 有限元模型静力学分析

    　选用ANSYS Workbench作为有限元分析工具,ANSYS Workbench Environment(AWE)作为新一代多物理场协同CAE仿真环境，它包含得二个主要模块：几何建模模块、有限元分析模块和优化设计模块。

  　  3．1 创建有限元模型

   　 打开ANSYS Workbench 的：“Simulation”模块，将装配体模型以SolidWorks原文件格式导入ANSYS Workbench中。由于ANSYS Workbench系统中的坐标系与机床坐标系不一致，如没有特殊说明，均为ANSYS Workbench系统的坐标系。

  　  按照设计要求，工作台和丝杠母座的材料均为灰铸铁HT300，所以添加材料信息时，取材料弹性模量为(1.4x105)MPa，泊松比为0.24，密度为7200kg/m3；工件的材料为普通碳钢，取材料弹性模量为(2．06x105)MPa。泊松比为0．26。密度为7850kg/m3。

    　在装配体接触选项中，均采用默认接触选项;划分网格时精度选取高精度，其余选项均为默认，以“Generate Mesh”的形式划分网格。

    　3.2 添加约束和载荷并求解

    　分析类型选择为静力分析，开始进行静力学分析。

    　工作台是由位于滑座导轨上的四个滑块支律定位的，它可以沿X向移动。因此，给四个接触面添加位移约束时。限制X、Y方向运动，即X、Y方向位移为O、X向位移设置为自由.约束添加位置如图2(a)中B处所示；而红杠母座由于要和丝杠过盈配合。不允许发生相对运动，给丝杠母座右端面添加位移约束时，设X方内位移约束为O、Y、Z方向位移设置为自由，约束添加位置如2(a)中A处所示。

图2 约束和载荷加载图 

   　 在工件的三个不同面各加载100N的均布面力，分别计算工作台X、Y、Z二个方向的静刚度.X、Y、Z方向的均布面力作用位置分别如图2(b)中B、A、C三处所示。分别施加X向、Y向、Z向载荷。进行求解，X向、Y向、Z向位移变形图分别为3中(a)、(b)、(c)三图所示。根据变形图可知X向、Y向、Z向位移变形量。由静刚度公式可知。

    K=P/Y

  　  式中:K-刚度:P-作用力:Y-变形量

    　分别算出各向静刚度，对各向静刚度分析结果。如表1所示。由表可知，各向静刚度均满足设计要求。说明其本身设计是合理的。

图3 位移变形图