基于Workbench的横梁优化分析

本文针对机床模态数据进行分析，使用刚度灵敏度分析法与机械结构识别相结合，找出机床薄弱位置，以添加筋板为优化手段，选取筋板宽度和筋板厚度为优化参数，以机床的一阶固有频率和一阶模态最大变形为优化目标。设置好实验设计后，计算各优化点的固有频率和最大形变量，找出固有频率提升最好的设计点，并按照此结构计算静变形。从最后优化结果来看，整机固有频率提升17.68 Hz，一阶模态最大变形量也有小幅度降低，总体满足优化目标。

机床作为制造业领域的航母，承载着各种核心产业的基础工作，大到航天卫星的生产制造，小到手机壳等小部件的量产，均起着基本而又关键的作用。如何提高机床的加工精度、产品的加工质量以及削减工作成本，是中国乃至全世界工业强国不断追求的目标之一[1]。随着数控加工的高速化、高精度化， 在传统加工条件下对加工精度影响不大的机床结构动力学特性因素成为了严重阻碍数控机床加工性能提高的瓶颈[2]。

机床的动态性能并不是单一针对某个特性，它是一系列性能的总称，比如工作产生的噪声、振动、几何误差、热变形等。这些特性导致机床在工作时不可避免的会产生一些结构位移，其中振动引起的结构变化最为显著，因此对于当前机床领域的研究，用抵抗变形的能力来描述机床的动态性能。目前国内外学者对于机床动态特性的研究主要通过有限元法和实验模态分析法(Experimental Modal Analysis, EMA)来获取机床模态参数，并通过对机床模态参数进行辨识对机床动态特性进行表征。李天箭[3]等利用灵敏度分析法对模态实验数据进行灵敏度分析从中找出机床对刚度和质量灵敏度高的结构从而对其进行优化。

郭阳[4]等利用Workbench 分析磨床静动特性，分析了床身不同材料、结构对整机动特性的影响，并选取不同接触刚度因子，对磨床整机动特性的影响进行了分析。赵天义[5]等人利用Workbench 分析立式加工中心的动态特性仿真计算机床固有频率，分析机床动态性能。通过整机模态试验验证了仿真的结果，修正了有限元模型，同时还针对修正后的有限元模型进行了谐响应分析，确定机床关键部件，为后续机床二次设计与优化提供了重要依据与方向。钱隆[6]等讨论了机床整机模型简化分析方法，以整机为研究对象，通过分析机床部件是否处于机床整机闭合力学系统等准则，确定了不同部件的简化必要性和策略， 形成了一套完整高效的整机性能分析简化方法，从而减少机床这种大型部件的有限元计算时间。本文将结合实验模态分析法找出结构关键点，然后使用有限元法来对机床动态性能进行分析优化。

2. 优化依据及前处理 本文主要优化依据来源于实验模态分析之后所得到的初步优化方案。首先使用锤击法采集机床模态信息分析机床模态频率和振型等数据[7]。由于本文中讨论的优化目标主要针对结构第一阶模态频率和振型，所以只讨论模态前三阶固有频率及振型。表1 为机床的前三阶固有频率，前三阶频率振型如下图所示。

图1 为实验模态分析所得机床一阶模态振型。

图2 为实验模态分析所得机床二阶模态振型。