数控机床床身尺寸优化设计毕业设计说明书.doc

数控机床床身尺寸优化设计摘要优化设计理论研究和应用实践的不断发展，使传统设计方法发生了根本的变革，机床床身设计逐步从经验、感性和类比为主的传统设计方法向科学、理性和立足于计算分析的现代设计方法过渡。针对目前数控机床床身的设计缺乏有效的理论依据，结构设计不尽合理的普遍现象，本文通过在某型号数控机床床身筋板设计上进行了优化来提高机床性能，减少机床床身质量，具有重要的实际意义和参考价值。本文依据产品性能要求，确定产品结构的初始设计方案。对已设计的铸铁床身方案进行优化，通过对床身的静、动态特性分析，综合比较，判别如何优化设计方案。再利用最优化设计的理论体系和方法对床身结构方案进行以筋板厚度为设计变量，以低阶频率与减轻床身质量为优化目标的优化设计。最后，在综合评估床身性能指标的基础上，并利用工程方案与优化理论相结合的设计方法，在优化分析软件ANSYS Workbench的帮助下，真正利用软件和优化理论完整实现了优化设计的整个过程，得出较好的设计方案。关键词：机床床身；静力分析；模态分析；结构优化OPTIMAL DESIGN OF CNC MACHINE TOOL BED SIZEABSTRACTThe continuous development of optimize the design theory being researched and 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 important 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 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 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, with 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 录1 绪论11.1课题研究的背景及意义11.2结构优化设计研究历史与现状11.3课题的研究内容与工作61.4本章小结72 优化设计理论基础82.1优化数学模型的建立与求解82.2 优化设计在实际工程中的应用102.3优化软件的应用与响应面法介绍102.4 响应面法介绍122.5 本章小结123 Pro/E与机床床身建模设计133.1 Pro/E软件概述与特点133.2 数控机床身整体设计思路143.3 机床床身设计153.4 本章小结164 基于ANSYS Workbench的机床床身有限元分析174.1 床身设计变量的预处理174.2 修改机床床身材料184.3 床身静、动力学分析与目标函数的预处理194.4本章小节265 机床床身的优化设计275.1基于AWE的床身优化设计平台275.2设计变量与目标函数的获得285.3 获取设计变量的响应285.4 单一设计变量对目标函数的影响305.5 优化设计的结果335.6 本章小结356 结论与展望366.1论文的主要工作376.2主要结论376.3存在的问题及展望38参考文献39致谢401 绪论1.1课题研究的背景及意义目前，国内数控机床制造企业大多处于“粗放型”阶段，国产数控机床在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平差距仍然很大，虽然需求不断增长，但机床产业的处境仍处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档仍靠进口的尴尬局面，难以突破技术瓶颈。机床工业是现代工业特别是现代制造业的基础，战略地位突出，从根本上改变目前低效、落后的状态，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。机械优化设计是近年来发展起来的一门新的学科，从60年代开始，由于最优化技术和计算机技术在设计领域的应用，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。该设计方法是在给定的载荷或环境条件下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象，选取设计变量，建立目标函数和约束条件，并使目标函数获得最优值一种现代设计方法，目前机械优化设计己广泛应用于航天航空，机床和汽车制造等各部门。本文通过对某型号数控机床在筋板设计上进行优化，使床身内部筋板厚度更加合理，减轻机床床身质量，减少了铸铁原材料的使用，节约了生产成本，同时提高了机床动静态性能，为同类型机床的设计生产提供了更多的理论依据。对于设计水平的提高和优化设计的推广应用，具有重要的实际价值和参考意义。1.2结构优化设计研究历史与现状 1.2.1优化设计概念的提出优化设计 (Optimal Design)概念的提出己有很长的历史，直到二十世纪70年代随着计算机技术的发展它才真正成为一门实用技术，并且在优化策略和算法上仍在不断发展。它的基本思想是将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助于计算机的高速运算和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一切可行的方案中，按照预定的目标，自动寻找最优设计方案的一种设计方法。优化设计同时又是一门新兴学科，通过计算机的数值计算，能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，使期望的设计指标达到最优，它可以成功地解、决解析其它方法难以解决的复杂问题，优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计是以建立数学模型进行设计的，优化设计引用了一些新的概念和术语，如前所述的设计变量、目标函数、约束条件等。优化设计改变了传统的设计方式。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而不是主动设计产品的参数。作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案，并从大量的可行设计方案中找出一种最优化的设计方案，从而实现最优化的设计。优化设计可以满足多方面的性能要求，产品要求总体结构尺寸小，传动效率高，生产成本低等，这些要求用传统设计方法设计是无法解决的。实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效设计方法。有助于考察设计结果，从而可以提高机械产品的设计质量1。优化设计主要包括两个方面：一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型，建立数学模型包括：选取适当的设计变量，建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式，约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系；二是如何求得该数学模型的最优解：可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题1。结构优化设计的主要流程如下图1.1所示图1.1优化设计过程 1.2.2结构优化设计研究的历史与现状1960年，L.A.schmit首先提出甩数学规划方法求解多种载荷情况下弹性结构的优化设计问题，并将结构优化设计在诸如应力、位移、频率等性态函数约束下的“n，为设计空间求解目标函数的数学极值问题。1986年以后，Venkayya和Gellatlv又研究发展了结构优化的最佳性准则法，导出了应力、位移、频率、屈曲、颤振等约束条件下结构优化设计的最佳准则，编制了基于有限元分析和相应准则的大型优化程序，如OPTIM、ASOP、FASTOP、OPTEOMP、NESAP等。20世纪70年代末，Knot、Berke和Venkayya对最佳性准则法的研究表明，各种迭代公式之间有着密切的关系，而且某些关系式可以用非线性规划的投影方法导出。同时Fleury在原有最佳性准则方法基础上提出了广义最佳准则性以及用对偶公式求解结构优化问题的算法。我国的优化设计于20世纪60年代开始起步，70年代末进入迅速发展期。钱希令教授作为我国计算力学的创始人，为我国结构优化设计的理论研究和推广应用作出了巨大贡献。此后国内科技工作者在结构分析和结构优化方面都取得一定的成绩，发表的工作报告和论文有上百篇，出版了一批结构优化译本和书籍，如Cea、R.H.Gallgher、n.Jwilde、Richard.L.Fox、D.M.Himmelban等中文译本以及国内学者如余俊、陈耿东、薛嘉庆等20-28关于优化设计的著作，都为80年代中后期我国优化设计的研究和应用工作奠定了坚实的理论基础，尤其在航空、国防、造船、机械、土建等领域，优化设计方法应用得最为普及。此外，数学规划和最佳性准则两大类优化设计理论和方法都得到了应用，并导出了二者统一的条件，从而实现了两类方法的相互配合，促进了优化理论的发展，如从尺寸优化发展到结构的几何形状优化，从单目标优化发展到多目标优化，从确定性优化发展到模糊优化等。优化设计的进一步发展是结构拓扑优化、结构布局优化、结构材料优化、结构类型优化，并走向计算机辅助设计、专家系统和人工智能相结合的全新领域。如今，结构优化设计作为现代设计理念的一个重要分支，在世界各地都受到了重视和应用，无论是在基础理路研究或是工程实际应用，都取得令人瞩目的成就。根据有关资料介绍，美国贝尔(Bell)飞机公司采用优化方法解决具有450个设计变量的结构优化问题，使一个飞机机翼的质量减轻了35%。美国波音(Boeing)公司对747飞机机身进行优化设计，收到增加载员数、减轻质量、缩短生产周期和降低成本的效果。某钢铁公司对德国DMAG公司引进的 1700薄板轧机进行优化修改，在生产中增加了几百万马克的赢利1。在国外，美国Lowa州立大学的J.M.vance与Isu研究中心的T.P.Yeh等学者应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计，Michigan大学的T.jang和M.chiredastls在应用有限元法和动态分析的基础上，提出了一种数学模型来模拟机床结构的联接形式，建立整机的模型井对机床结合面的联接件的位置和数量进行拓扑优化设计。同时，美国Ford、GM等著名汽车制造公司利用拓扑优化的设计思想，对汽车简单薄壁结构进行优化设计；Fox和Kapoor假设一种简化外部瞬态载荷形式，以便删除各种约束时间的依赖性，并在此情况下，考虑了位移和应力约束下结构的最小质量优化设计。Hsieh和Arora进一步研究了动态响应优化问题方面逆点状态变量约束的处理方法；Adelman和Haftka概述了任意载荷作用下动力学系统的灵敏度理论在动态优化设计中的应用情况；W.H.Greene和R.T.Haftka解决了结构动态优化设计中灵敏度计算等关键问题；文献对于承受动载荷的平面框架的最小质量设计发展了一种其约束主要是动态位移，动态应力，自然频率及部件尺寸的结构优化设计。在国内，陈新、张学良等应用BP神经网络进行结构的动力学修正和优化设计；尹志宏、廖伯瑜等人对平面磨床主轴系统进行了优化设计，建立了主轴优化设计的数学模型，以主轴外伸点挠度最小为目标函数，并满足主轴重量及固频的约束条件，达到了优化主轴系统静、动态性能的目的；高彤、张卫采用了双向渐进结构优化方法(BESO)研究循环对称结构拓扑优化设计问题，并针对循环对称结构的特殊性，提出灵敏度密度新概念及加权灵敏度密度过滤新方法。李烁、徐元铭等人针对复合材料加筋结构的优化设计，提出了利用人工神经网络结构近似分析响应面来反映结构设计输入与结构响应输出的全局映射关系的优化方法；汤文成、易红对床身结构的静、动态特性进行分析和优化设计。通过分析和研究得出改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身结构的静、动态特性的有效手段，并且提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的主要依据，建立了床身的结构模型，以床身的结构参数为设计变量，各设计变量对床身动态性能贡献加权作为结构优化设计的目标函数，最后得到最优的床身设计方案，同时在机床的参数化设计等方面进行了有益的尝试1。1.2.3优化设计方法在机床结构设计中的应用机械优化设计将机械设计的具体要求构造成数学模型，将机械设计问题转化为数学问题，构成一个完整的数学规划命题，逐步求解这个规划命题，使其最佳地满足设计要求，从而获得可行方案中的最优设计方案。机械优化设计方法在机床结构设计中的应用，改变了过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，或者在满足强度要求前提下，先确定结构方案，再根据安全寿命准则对设计方案进行刚度分析、校核、修改，从而确定结构尺寸的方法。而是借助计算机应用一些精确度较高的力学、数学分析方法进行分析计算，并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，实现用理论设计代替经验设计，用精确计算代替近似计算。随着生产技术的发展和科技的进步，对机械产品的设计质量要求越来越高，产品更新换代的速度也越来越快，这就要求广大设计工作者掌握更加科学的工程设计方法和设计工具，以适应生产力迅速发展的现代市场需要。机械优化设计正是以最低的成本获得最好的效益，是设计工作者一直追求的目标。总的看来，机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的，是一门崭新的学科。它是在现代机械设计理论的基础上提出的一种更科学的设计方法，它可使机械产品的设计质量达到更高的要求。在近代，优化设计越来越多地应用于产品设计中。机械结构设计应用优化设计方法一般可节省材料7一40%，因此优化设计技术越来越受到人们重视。目前，将机床的结构优化设计解决在设计阶段成为机床动态设计的主要目标。这就要求有一整套比较完善的虚拟仿真试验才能完成，而试验的准确程度是影响动态设计的主要因素。国内外机床结构动态优化设计存在较大的差距。其国外制造业水平发达国家能把机床的动态分析和动态设计有机的结合起来，通过虚拟试验，对所提出的设计结构方案进行动态分析，并根据分析结果及时的修改设计方案，从而大大缩短了设计周期，减少了设计成本，并能从设计的初期阶段到最终的设计方案确定，始终把结构优化的思想贯穿于设计的各个阶段。国内学术界对机床部件进行的动态优化设计仍局限于广义意义上的优化设计，其实质是“方案比较”，的优化设计。其优化效果的好坏往往取决于设计者的经验。在计算机平台上的虚拟开发环境中，实现设计者制定的目标函数与约束条件自动完成的优化结果搜索的“自动优化”，仅在简单零件上能够实现，利用数学规划法和优化准则，由计算机自动来完成结构系统的优化过程，这种自动优化设计还有大量的理论工作和实际问题有待解决。国内结构的优化设计基本上还采用人机交互设计的方式，在自由度不多的系统和部件子结构中实现自动优化设计。1.3课题的研究内容与工作1.3.1课题的研究对象本论文课题研究基于某型数控机床床身改进项目。课题为适应数控机床高速、高精度的加工要求，需对原有床身进行机床机构改进，重设计内部筋板尺寸以提高床身整体动态性能，适应机床高性能加工要求。 1.3.2论文的主要研究内容和工作本论文课题研究源于机床设计、生产企业的生产实际需求，是以现有的机床产品的床身进行性能升级为研究对象，以结构机械特性理论和现代优化设计方法为理论支撑，运用有限元分析技术和强大的优化软件 ANSYS Workbench为分析平台，对新设计的机床床身机构进行优化设计。论文研究的主要内容是围绕机床床身优化设计进行的，研究对象为数控机床床身。在机床的各部件中，床身是一个极其重要的大件，它是整台机床的基础和支架，机床的其它部件，要以它为安装、固定的基础，或是在它的导轨上运动。床身的结构尺寸和布局形式，决定了其本身的各种动态特性。床身结构设计不合理或刚度不足，会引起床身的各种变形和振动，严重影响整机的性能。在借鉴目前国内外先进机床设计方法的基础上，通过对某型号数控机床在床身选型、筋板设计上进行优化来提高机床动态性能，本文从工程实际出发，有重要的实际价值和参考意义。论文研究的方法有以下两点：(1)用最优化设计的理论体系和方法对拟采用的床身结构方案进行以筋板厚度为设计变量，实体质量为优化目标的优化设计；(2)理论建模分析，借助动态特性理论分析方法，对性能进行综合评价；并对比铸铁床身性能，得出床身性能评价结论。1.4本章小结本章从课题研究的对象出发，阐述了课题研究的背景及意义，结合解决课题研究对象的方法出发，对结构优化设计研究历史与现状进行了总结。重点阐述了优化设计在机床结构中的应用在床身的应用。在本章的最后，说明了课题研究的内容和方法，作为本文的纲要，为本论文的指导思想。2 优化设计理论基础优化设计理论研究和应用实践的不断发展，使传统设计方法发生了根本的变革，结构的设计逐步从经验、感性和类比为主的传统设计方法向科学、理性和足于计算分析的现代设计方法过渡。优化设计是一种现代设计方法，建立在优化数学理论和现代计算机基础之上。对实际工程问题进行优化设计，本质上就是用计算机高速地完成“设计一评价一再设计”的寻优过程。因此，对优化设计理论数学模型及优化过程进行探讨，在实际工程应用中有很深的指导意义。2.1优化数学模型的建立与求解2.1.1结构优化设计数学模型的建立建立优化设计的数学模型是关键的一步，直接影响优化设计的质量。优化设计工作一般包含一下两方面的内容：一是将生产实践或科技工作所提出的设计问题抽象为最优化的数学模型；二是对所建立的数学模型进行分析与求解。优化问题的数学模型是实际优化问题的数学抽象，是解决最优化问题的关键。正确的数学模型应该可以准确地表达优化设计问题的本质，易于处理和计算。假如设某项 设计有n个设计变量，数学模型则可表述为：X=x1,x2,x3,xnT (XRn) (2-1)在满足： 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)的约束下，求解目标函数： (X)=(x1,x2,x3,xn) (2-4)最大值或者最小值。这样的优化问题一般称作“数学规划问题”，整合上述信息，可得到优化设计问题的数学模型一般形式为： (2-5) 其中，s.t.是英文subject to的缩写。由上式可见，优化设计的数学模型包含了三个要素：设计变量X、目标函数(X) 和约束条件(gv(X)0与hu(X)=0)。2.1.2 数学模型的求解优化问题数学模型求解的方法，从广义上都可以认为来源于拉格朗日求极值的问题。对目标函数受到约束条件限制的数学模型进行探讨，可以清楚表示优化数学模型的求解。设目标函数(X)与约束函数hu (X)，gv (X)均为可微函数。引入松弛变量av，把不等式约束化成等式约束，就可将拉格朗日乘子法推广到求解带有不等式约束的极值问题。令 gv(X)+av2=0 (2-6)av取平方，是为了确保gv(X)0。于是可以构造如下拉格朗日函数： (2-7)式中Tu、Xv分别是对应于等式约束hu(X)=0与不等式约束gv(X)0的拉格日乘子。所以优化函数的最优解必须满足的条件和拉格朗日的极值条件，这两者之间是等价的，即： (2-8)上式中的条件有三种情况，对其分别讨论，如下：(1) 若Xv=0，而av0，则gv (X)<0，说明最优解在约束边界以内，该约束条件不起作用，上述条件可知，这是无约束的极值条件，可以看做是一种有约束的特殊情况；(2) av=0，而Xv0，则gv (X)=0，说明最优解在第v个约束边界上，该约束条件是起作用的。由于Xv0，所以这是有约束的最优化问题；(3) av =0，Xv=0，gv (X) =0，说明最优解位于约束边界上，而且约束边界恰好过无约束最优点。2.2 优化设计在实际工程中的应用优化设计能满足多方面的性能要求，这些要求是使用传统的设计方法设计是无法解决的。当前，国内外结构优化设计存在着以下特点：(1)设计与分析平行；从结构选型、结构设计到具体设计方案比较与确定以及设计方案的模拟试验等，都是以满足一定性能要求作为目标。床身结构的各个设计阶段均具有结构分析的参与，床身结构分析贯穿着整个设计的过程，结构优化的思想被用于各个设计阶段；(2) 大量虚拟试验替代实物试验；虚拟试验不仅能够在没有实物的情况下进行，而且实施非常迅速、信息量很大。利用虚拟试验，一方面能够在多个设计方案中选择最优的方案，降低设计的盲目性，另一方面能够尽早发现在设计中存在的问题。从而减少成本，缩短周期。优化的理念贯穿着整个设计的过程。然而，在复杂结构设计的过程中，例如复杂机床床身的设计，最优设计理论无法运用于整个复杂的结构的目标寻优。这里的优化既包括了狭义优化又包括了广义优化，前者是指最优化过程的目标寻优，后者则包括更加广泛意义上的优化，如材料，方案等方面的优化，其优化效果的好坏一般由设计者的经验决定。优化设计在实际工程应用上，具有很大的实际意义。2.3优化软件的应用与响应面法介绍ANSYS workbench是一种CAE分析软件环境和应用平台。它提供了统一的管理和开发CAE信息的工作环境，提供了高级功能的易用性，独特的产品结构与大量支撑性的产品模块为产品整机、多场藕合的分析提供了非常优秀的解决方案。 ANSYS Workbench包括CAE建模工具 Design Modeler，分析工具Design simulation以及优化分析 Design Xplorer，将设计、仿真、优化集成于一体。参数化建模工具和先进的优化技术，代表了CAE的发展方向，将CAE的易用性提高了一个新的台阶。AWE(ANSYS Workbench Environment)环境能直接打开各种CAD软件的零件模型，并在其统一的环境中实现任意的模型装配和CAE分析。整合相同和不同CAD软件模型数据可以得到CAE分析用的CAD模型库，这些模型库里保留CAD中的设计参数，并通过联接技术实现与CAD的软件之间的共享，它的优点是任何CAD和CAE人员对设计的改变都可以立即反映到对方软件中去，从而实现设计仿真的同步协同。与其他有限元分析软件相比较，ANSYS Workbench有以下几点特点：(l) 软件和模型数据整合在AWE环境中建立仿真分析模型，调用CAE软件作为求解器执行仿真分析，并允许进行优化设计。整合所得CAD模型经过网格化分、施加载荷与边界条件，然后使用CAE程序分析求解，再给予CAE分析进行优化计算。(2)CAD-CAE数据共享与交换在ANSYS AWE环境中，CAD-CAE之间是通过联接的方式共享模型数据，包括尺寸参数和装配参数等，可实现双向的参数互动。(3)客户化及行业化开发平台ANSYS Workbench协同仿真环境作为一个开放性应用的开发平台不仅构建了一个系统集成以及设计仿真的协同环境，而且还可实现各种产品型号或系统专用的研发平台的开发。(4)求解速度快，整合应用强Workbench协同环境构架下，占用的内存比较少，求解速度较快。其各种核心的功能都可以实现整合和利用，还有自动生成计算报告等辅助功能。ANSYS Workbench可实现企业CAD/CAE的协同设计以及数据管理，并且能实现企业研发中心专用的设计分析平台开发。它的协同仿真环境适应企业的需求，为企业搭建了一个仿真分析的平台，良好的实现了对设计、仿真分析和试验的协同管理，从而促进了研发过程的正规化、流程化和统一化，便于研发的管理和控制，而且极大提高了研发的效率，降低研发的成本，确保产品的质量。2.4 响应面法介绍随着计算机技术飞速发展，数值计算科学不断深入，工程计算模型越来越复杂，计算规模越来越大，需要花费的机时越来越长。同时，又有许多工程问题的目标函数与约束函数对于设计变量经常是不光滑的或者具有强烈的非线性。基于这样的情况，科学家和工程师都希望找出新的高效可靠的数学规划方法以满足工程优化计算的需要。一个渐进近似的优化方法能很好地解决这种既耗机时又非光滑的优化问题，它就是响应面法( Response Surface Methodology简称：RSM)。RSM是数学方法和统计方法结合的产物，是用来对所感兴趣的响应受多个变量影响的问题进行建模和分析的，其最终目的是优化该响应值。由于RSM把仿真过程看成一个黑匣子，能够较为简便地与随机仿真和确定性仿真问题结合起来，所以得到了非常广泛的应用。随着响应面法理论的完善和发展，以及计算机性能的提高，RSM也得到了工程界的重视，响应面法频繁地被用于解决各种工程问题。与此之外，优化设计，可靠性分析、计算，动力学研究，工程过程控制等方面也涉及到了响应面法的应用。这里主要介绍响应面法在结构优化、可靠性分析和车辆动力学中的应用。2.5 本章小结本章从实际工程应用出发，探讨了优化设计的理论与优化设计过程的求解：建立了优化设计数学模型，分析了数学模型中的各元素之间的相互作用以及目标求解的方法；针对机械优化设计，借助机械特性理论，建立方程。本章重点阐述优化理论的应用以及在优化过程使用的响应面分析法，为下面几章的工程分析在理论上奠定了基础。3 Pro/E与机床床身建模设计3.1 Pro/E软件概述与特点3.1.1 Pro/E软件的概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块，以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。3.1.2 Pro/E软件的特点(1)单一数据库Pro/E是建立在统一基层的数据库上，而一些传统的CAD/CAM系统是建立在多个数据库上，用Pro/E进行设计时，在整个过程中任何一处发生任何变动，都可反映到整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得产品的设计更方便、更优化、更高质、成本更低。(2)基于特征的参数化建模参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。参数化建模通过调整几何参数来修改和控制几何图形，从而自动实现产品的精确造型，这些几何参数包括模型定型、定位尺寸等。不同于CAD设计以图形线条为设计元素，Pro/E以参数为设计元素，从构建特征入手，建立零件数字化模块，参数化技术以约束为核心，优点主要有：a 对设计人员的初始设计要求低，提高了设计的柔性；b 便于系列化设计，同种规格的零件，不同尺寸系列可在一次设计成型后通过修改尺寸得到，节省了大量的重复设计时间，简便快捷，为数字化制造建立了基础；c 便于随时编辑、修改，满足反复设计要求。(3)完全相关行相关性是指所有的Pro/E功能都相互关联，用户在产品开发和设计过程中的任一环节进行的修改都将影响到整个设计，同时自动的将模型装配、平面工程图、模型加工数据等工程文档进行更新。(4)工程数据在利用三维实体造型将三维实体模型用于机械产品的CAD/CAE/CAM过程，用户可随时计算出产品的质量、体积、惯性矩等相关的物理量、几何量，可迅速了解产品的结构，掌握产品的信息，减少人为计算时间。3.2 数控机床身整体设计思路本设计要完成数控机床的床身建模，在该机床床身设计中，需要求设计的机床床身可以优化过程，所以不需要考虑螺钉孔等影响整体受力的部分。床身示意图，图3.1。(a) 机床床身正侧面图(b) 机床床身底侧面图图3.1 床身示意图机床长2490mm，高500mm，最大宽度2220mm，最小宽度2020mm，外壁厚25mm，筋板厚20mm，导轨长1745mm。床身内部筋板布局及样式如图3.1(b)，内部筋板采用从横交错的“米”字型，在保证刚度的情况下减轻床身质量。3.3 机床床身设计对于拟采用的机床床身模型，只需采用拉伸特征与倒圆角特征即可晚上机床床身的三维模型设计。首先，将机床床身的大体形状拉伸出来，再在顶面添加机床导轨拉伸特征，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，为了之后的便于优化设计，这里将筋板分为两部分(A组，B组)拉伸，如图3.2所示。最后，在接缝处需要圆角的地方，添加倒圆角特征。 (a) A组筋板 (b) B组筋板图3.2 床身筋板示意图3.4 本章小结 本章重点分析和讲述了在Pro/E三维建模软件中完成数控机床床身的设计。对Pro/E三维实体建模软件进行了介绍。分析了机床床身的三维建模过程。在这个过程中，我们完成了机床床身的设计。为以后的AWE有限元分析以及优化做好前期准备。4 基于ANSYS Workbench的机床床身有限元分析 身进行静力分析，得到应力安全因数即应力与许用应力之比、床身实体质量、床身变形量特征参数，再对机床床身进行模态分析，得到其一至三阶的固有频率。并且利用这些特征参数第四章对机床进行优化分析。4.1 床身设计变量的预处理机床床身尺寸优化设计是优化设计理论和实际工程相结合的一种现代的设计方法。与此同时，也要遵循最优化设计理论的法则：在进行床身优化设计的过程中，需要设置设计变量以及目标函数。在优化设计过程中，获取目标函数是整个优化设计过程中重要的环节，也是设计中的一项重要决策，它将会影响最优方案的实用价值。设计变量的提取是整个优化设计过程中的一个首先要完成环节。由床身结构可知，内部筋板厚度对床身的性能有重要影响。所以在优化过程中将筋板的厚度作为设计变量，考察对床身静态特性的影响，具有实际的工程意义。设计变量的提取是在优化前阶段进行的，设计变量可以是在AWE中形成，也可以在CAD三维软件中形成。鉴于机床床身的复杂性，将模型建立在Pro/E中，并在Pro/E中提取设计变量。在Pro/E中建立床身的三维实体模型之后，如图4.1： (a) 床身顶侧面 (b) 床身底侧面图4.1 机床床身三维实体由于筋板数量过多，为了便于优化设计的计算，缩短计算机的计算时间，简化优化过程，将所有筋板编为两组(A组、B组)。选择筋板尺寸属性，修改变量名称，分别将A、B两组筋板命名为：dsd123456、dsd654321。设计变量参数在Pro/E中设置好之后，在Pro/E工具栏中的“ANSYS 13.0”选项中点击“Workbench”按钮，将实体模型与设计变量参数一起传递到ANSYS Workbench中，以便接下来的优化分析。在ANSYS Workbench中，将“Geometry”参数中的“Smart CAD Update”激活，这样在ANSYS Workbench对筋板尺寸进行优化修改之后，可以直接在Pro/E中生成新的三维实体模型。然后选择“Static Structure”模块，在“Geometry”的“Details of View”窗口中将A组与B组筋板的dsd123456、dsd654321选中，在ANSYS Workbench的操作面板就会变成如图4.2，这样就已经完成了设计变量的设置。4.2 修改机床床身材料由于ANSYS Workbench默认的机械模型材料为结构钢(Structural Steel)，所以要自己将床身材料改为铸铁。双击“Static Structure”模块中的“Engineering data”，然后添加Gray Cast Iron材料，删除Structural Steel材料。并且要编辑Gray Cast Iron的拉、压屈服极限的数据，因为可以认为铸铁没有屈服极限，ANSYS Workbench中默认的铸铁屈服极限为0，但这会引起在作静力分析的时候导致安全因数为零的错误，所以在这里将铸铁的拉、压屈服极限修改为与拉、压强度极限相同。图4.2 ANSYS Workbench的操作面板4.3 床身静、动力学分