龙门加工中心横梁关键尺寸灵敏度分析与优化

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中图分 类号 :T H 1 6 ;T G6 5 文献标识码 :A
文章编号 :1 0 0 9 -0 1 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 8 ( 下) -O l 1 O —O 3
D o i :1 0 . 3 9 6 9 / J . t s s n . 1 0 0 9 - 0 1 3 4 . 2 0 1 3 . 0 8 ( 下) . 3 3
S ( x i ) :
Ox
( 1 )
式 中f ( x i ) 为结 构静 变形 量关 于 结构 关键 尺 寸厚
度 的 函数 ,X 沩 函数 的 第i 个 自变 量 , 即横 梁 结 构 第i 个关 键尺 寸 的厚 度 ,X I , X , …, x ” , x 为横 梁 结构
作 Hale Waihona Puke Baidu所 需要 的静动 态性 能 ,但往往 存在 一定 的设计
保守性和盲 目 性I 互 。不少学者对机床零部件进行了
灵敏 度分 析 及优化 ,但是很 少人 同时考 虑结 构 的静 动 态特性 灵敏 度进 行结构分析 与优 化 。
本 文对 某龙 r l / J n 工 中心 横梁进 行 了研究 ,在 控
的n 个关键 尺寸 。
梁 的关 键 尺 寸 进 行 结构 优 化 与 分 析 ,优 化 后 横 梁 结 构 静 变 形 量 减 小 了3 . 3 %,一 阶 固 有频 率 提 高 了 0 . 4 %,同时 重 量 减 少 了9 . 7 k g ,在不 增 加横 梁 重 量
的前提 下 ,提高 了横梁 的静动 态特性 。
1 . 2 结构静 变形 量灵敏 度分 析理 论
横 梁 结构 静 变 形 量 灵 敏 度 指 的 是 横 梁 结 构 关 键 尺寸 设 计 变 量 对 横梁 结 构静 变 形 量 的 灵 敏 度 , 可表示 为 :
制 横梁 重量 的情况 下 ,尽可 能地提 高横 梁 的静动 态
特 性 ,在 传统 经验设 计得 到 的横梁 结构 的基础 上 , 对 几个 关键 尺寸 运用 有限元 分析 方法 ,以横 梁 的静 变 形量 和一 阶模 态频 率为性 能指 标 ,进行 了灵敏 度 分 析 ,得 出各尺 寸变 量对横 梁静 变形 量及 一阶 固有 频 率 的影 响情况 。根据灵 敏 度分析 结 果 ,找 出对 性 能指 标影 响较大 的结 构尺寸 ,通 过变 尺寸 法调 整横
导 数 或偏 导数 ) ,然 后依 据 灵敏 度 值 的大 小 ,确定 结构 各设计 变量 对性能 指标 的影响程 度 ,从而通 过 调 整 设 计变 量 进 行 结构 的 改进 或 优 化设 计 J 。结 构的灵敏 度分 析结 果 ,能够 很直 观地 反映 出改进 结 构 哪些关 键尺寸 可 以显著 提 高结构静 动态 特性 。
0 引言
横 梁 是 龙 门加 工 中 心 的 重要 部 件 之 一 ,它 的 静 动 态 特性 影 响着 龙 门加 工 中心 的加 工 精 度和 工
灵 敏 度 分 析 是 结构 性 能 函数 的变 化 对 结 构 设 计 参 数 变化 的敏 感 性 。结 构 静 动 态 特性 灵 敏 度 分 析 的 基 本原 理 是 :首 先 运 用 数 学 方法 建立 设 计 变 量 与性能 指标 的函数关 系,根据 函数关 系计 算 出结

匐 似
龙 门加工中心横梁关键尺寸灵敏度分析与优化
Sensi t i vi t y an al y si s and op t i mi z at i on o f gan t r y m achi ni n g cent er cr oss beam
杨 玉 萍 ,张 森 ,季 彬彬 ,邱 自学
1 灵敏度分析 的基本理论
1 . 1 灵敏度分析的基本原理
收稿日期:2 0 1 3 — 0 4 — 0 5 基金项目:南通市产学研协 同创新项 目 ( B C 2 0 1 2 0 0 7 );国家 自然 科学 基金 ( 5 1 1 1 0 1 0 5 0 0 8 );江苏省研 究生创新计 划项
构 静动 态 性 能 随结 构设 计 变 量 的变 化 灵敏 度 ( 一阶
件 的 加 工 质量 ,为 了满 足 机 床 高 精 度 、 高速 度 、 高效 率的设 计要 求 ,横梁 必 须具有 足够 的静 动 态特
性 …。 目前 ,设 计者 多 采用 经验 法 或类 比法 对 横梁 结构 进行 设计 ,这 样得 到的横 梁结 构 虽然能达 到 工
1 . 3 结构 动特 性灵敏 度分 析 理论 】
横 梁 结 构 动 特 性 灵 敏 度 指 横 梁 结 构 关 键 尺 寸 设 计 变 量 对横 梁 结构 模 态 频 率 的灵 敏 度 。 根 据机 械 振 动 及 有 限 元 的相 关 基 本 理 论 ,将横 梁 结构 看 成无 阻尼 的 自由振 动 ,得 到其 有 限元运 动方 程 :
Y ANG Yu . p i n g,ZHANG Se n ,J I Bi n . b i n ,Q I U Z_ _ x u e
( 南通大学 机械 工程 学院,南通 2 2 6 0 1 9 )
摘 要 :为提高龙r i c o 工中心横梁的静动态特性 , 运用A N S Y S 有限元分析软件 , 以横梁的静变形量和一 阶模态频率为性能指标 , 对横梁结构的关键尺寸进行灵敏度分析 , 得 出关键尺寸的变化对横梁 静变形量及一阶固有频率的影响情况。根据 灵敏度分析结果 , 找 出对性 能指标影 响较大的结构 尺寸 ,通过变尺 寸法调整横梁 关键尺 寸进行结构优化 与分析 。结果表明 :优化后横梁结构的静 变形 量减小了3 . 3 %,一阶频率提 高了0 . 4 % ,同时重量减轻 了9 . 7 k 8 , 在 控制横梁重量的前提 下, 提 高了横梁的静动态特性 , 为机床零部件 及整机的优化设计提供 了可借鉴的方法 。 关键词 :龙 门加工中心 ;横梁 ;灵敏度分析 ;有 限元
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