[发明专利]一种机床螺栓联接结构的优化方法

摘要

本发明提供了一种机床螺栓联接结构的优化方法，属于机床技术设计领域。通过对螺栓布置区域﹑参数和联接结构尺寸的优化，提高机床动静态性能。主要包括以下4个步骤：评价指标确定；螺栓布置区域优化；螺栓联接参数优化；螺栓联接结构尺寸优化。与传统螺栓联接结构设计时大多依据经验相比，本发明提出了一套完整的设计方法，可操作性强，对机床动静性能的改善效果显著。

主权项

1.一种机床螺栓联接结构的优化方法，其特征在于，步骤如下：第1步，评价指标确定对于机床，从静动态两方面对其性能进行评价：(1)机床的静态性能通过精度敏感地方的实际工作位置和理想工作位置的偏差量来衡量，主轴箱静态性能通过其轴线的偏差量来衡量，立柱和床身通过导轨的偏差量来衡量；(2)机床动态性能由其低阶固有频率来衡量；第2步，螺栓布置区域优化螺栓布置区域的优化是通过拓扑方法对建立的优化模型进行求解实现的；优化模型包括三维模型﹑工况载荷﹑约束等效处理和优化区域设置；对于三维模型，去掉尺寸较小的凸台和孔结构，以便顺利完成网格划分；由于机床在实际工作时工况比较复杂，为了综合考虑各种工况的影响，在载荷计算和施加时，选取典型和极限两类工况；约束等效处理的合理性直接影响最终的拓扑结果，处理的原则是与机床实际工作状态相同；螺栓联接结构拓扑优化时，将螺栓联接处作为拓扑的优化域，其他则视为非优化域；求解后即得到螺栓布置的最优区域；第3步，螺栓联接参数优化将螺栓间距作为优化变量，螺栓联接强度和扳手空间作为约束，并构造优化变量与静动态评价指标间的响应面模型，对其求解即得到螺栓联接的最优参数；(1)优化变量综合考虑螺栓联接面的尺寸﹑扳手空间以及拓扑优化的结果，确定优化变量的范围；(2)优化约束螺栓设计时，需要考虑螺栓布置的受力均匀性且满足强度条件，螺栓强度条件为： 1.3 F m a x A c ≤ [ σ ] = σ s [ S ] ]]>其中，Fmax是螺栓受到的最大拉力；Ac是螺栓危险截面面积；σs是螺栓屈服强度；[S]是许用安全系数；螺栓间距确定时，需考虑扳手空间；根据相关资料，拟合出螺栓间距与螺栓直径d的关系：Δ≥2.731·d+15.23对于紧固件为内六角螺栓的联接结构，以Rotscher的螺栓压力锥模型为基础，考虑压力锥大径不重叠为螺栓间距的约束条件；若采用30°压力锥半顶角，当两被联接件厚度均为40mm时，压力锥大径的计算公式为：Δ≥1.5·d+40·tan30°(3)优化目标函数本方法选取的优化目标函数为二阶响应面模型，n个优化变量的二阶响应面模型为： y ( X ) = α 0 + Σ i = 1 n α i x i + Σ i = 1 n α i i x i 2 + Σ i = 2 n Σ j = 1 i - 1 α i j x i x j ]]>其中，X＝(x1,x2,…,xn)是优化变量xi组成的空间；α0αiαii和αij是未知系数；第4步，螺栓联接结构尺寸优化本方法采用内嵌式结构，当采用内嵌式结构时，螺栓之间的加强筋会形成壁笼结构；将壁笼结构尺寸大小和筋板壁厚作为优化变量，联接面外形尺寸和扳手空间为约束，建立性能评价指标与变量间的响应面模型，对优化模型求解，即确定螺栓联接结构。