水切割机床结构参数化分析优化系统的设计与实现

水切割机床结构参数化分析优化系统的设计与实现

余丹华

（航空工业昌河飞机工业（集团）有限责任公司江西景德镇333002）

摘要：有限元法是在机床结构和机构性能分析优化中常用的方法，但通用有限元软件操作过程繁琐，需耗费大量时间和人力。对于一般的机械产品，设计中有许多的结构特点和分折优化需求上的重复，因此针对企业机床具体结构特征开发相应有限元辅助工具系统，能够有效提高产品质量与开发效率，进而提高企业竟争力。鉴于此，本文就水切割机床结构参数化分析优化系统的设计与实现展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。

关键词：水切割机床；有限元分析；结构优化

1机床结构设计研究现状

对于机床的结构分析与优化设计，能有效的提高机床加工精度及稳定性。目前对机床结构设计研究主要有以下方面:

1.1机床有限元建模方法研究

主要研究能够得到更加准确的分析优化结果的机床建模方法。较多的集中在机床结合面建模方面。国内许多学者在此方面进行了研究，毛宽名教授等提出了一种新的直线滚动导轨结合部动力学模型，通过实验证实模型的有效性。蒋书运教授等通过赫兹接触理论，建立带滚珠丝杠副的机床直线导轨结合部的动力学理论模型，突破了机床直线导轨结合部刚度模型不考虑滚珠丝杠副的缺陷!is}。田洪亮提出了一种基于虚拟材料的机床固定结合部动力学参数化建模法，以工程数据为参数建立固定结合部动力学解析模型，为机床结合部建模提供了一种新方法。

1.2结构优化方法在具体应用

将结构方法应用至到具体机床结构中，以提高机床结构性能或减轻重量。结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、拓扑优化和布局优化。郭垒等人通过灵敏度分析，对机床各板厚进行尺寸优化，在保证刚度的情况下，减少6.9%结构质量。刘成颖等针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计，提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。饶柳生等基于相对密度法的连续体结构动力学拓扑优化设计数学模型，采用多目标拓扑优化，改进了筋板布局，达到提高机床动、静态特性的目的。

此外，将结构优化方法与先进的算法相结合，对机床的结构形式能够更好的改进。倪晓宇等利用渐进结构优化法((ESO)对机床床身进行基于频率和刚度约束的拓扑优化，为ESO方法11在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。于海莲等针对传统方法在复杂机械结构优化设计中的低效性和局限性，提出了一种将响应面模型与多目标遗传算法相结合的优化设计方法。

2系统工作流程

2.1建模及前处理

首先建立机床几何模型，方法有两种方法两种，在CAD系统中建立机床的几何模型后，将其保存为中性文件格式，然后通过数据接口导入CAEa也可以使用CAE软件的几何造型功能，直接在CAE环境下完成儿何模型的创建。在机床的几何模型基础上进行网格划分前，需要对模型进行简化，然后对模型划分网格，赋予材料属性。最后根据分析需求对模型添加载荷及约束条件从而得到机床完整的有限元模型。

2.2求解

确定分析类型及相关参数，调用CAE软件相应求解器进行求解。传统机床一般会进行静力分析、模态分析和谐响应分析。水切割机床加工时切害J头不与材料接触，所受反作用力较小，因此不必进行谐响应分析、在进行静力分析时只需要添加机床结构本身所受的重力载荷即可。

2.3后处理

对于静力分析，主要查看机床在重力载荷作用下的最大应力分布区域，判断其强度是否满足要求。同时对各部件最大变形量进行校核，判断刚度是否满足要求。根据机床的整体应力分布和变形情况确定结构优化的方向；对于模态分析，主要查看机床的低阶固有频率和振型，判断是否有与外部激励源频率接近的固有频率以防共振，同时通过观察机床振型找出机床结构的薄弱环节，进行优化。2.4优化

一般机床结构的优化设计，是在结构质量一定的条件下，使所设计的机床具有更好的动态性能，或在保证机床具有一定动态性能的条件下，使所设计的结构的质量最小，即轻量化。水切割机床中被切割件的反作用力极小，按传统方法设计的结果是机床结构应力较小，安全系数过大、床体过重。因此在优化时将轻量化作为优化的主要目标，将增强动静态刚度作为次要目标。

3系统数据结构设计及功能实现

3.1数据库结构设计

为了能够有效的管理系统所需的各类数据信息，方便其他功能扩充以及企业的协同工作，在系统中引入了数据库。数据库技术是一种计算机辅助管理数据的方法，它研究如何组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。数据库系统减少数据存储冗余、实现数据共享、保障数据安全以及高效地检索数据和处理数据。在本系统所使用的的数据库是MySQL。MySQL具有功能强、使用简便、管理方便、运行速度快、安全可靠性强等优点，用户可用多种语言编写其访问程序。关联数据库将数据保存在不同的表中，‘而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就提高了速度和灵活性。

系统数据库内容包括两部分，一部分用于存储水切割机床相关知识，另一部分用于存储分析过的水切割机床的具体信息。

水切割机床知识库主要用于系统初始启动始时读入，主要包括企业现有的机床类型、对应部件建模程序、尺寸示意图、说明文档；机床有限元建模所需的基本信息，包括系统能够提供的壳单元、实体单元、接触单元类型，默认网格单元尺寸比例等；机床材料库用于存储机床能够使用的材料及其属性信息。此外还包括机床基本设计规则、校核标准，通过该部分内容，结合系统内部判断程序对机床结构的进行评判，辅助用户进行设计。

3.2基础功能实现

水切割机床分析优化系统工作需要ANSYS.MySQL协同完成。本节介绍了系统调用ANSYS、数据库访问方法，在此基础上阐述系统功能功能的具体实现流程。系统对于水切割机床的分析和优化需要借助ANSYS软件实现。由于ANSYS并未提供可供其他编程语言直接操作的数据接口，本文采用采用文本文件作为中间媒介与ANSYS进行数据交互。系统通过读取第三章编写好的建模及分析优化程序文件，结合用户在系统中输入的参数生成完整APDL输入文件，通过批处理模式调用ANSYS进行分析。分析完成后ANSYS对结果进行处理，将所需内容保存至结果文件，系统读入结果文件并展示给用户。

ANSYS的批处理是区别于GUI交互界面有限元处理过程，通过批处理执行分析过程不会显示处理进程，只在后台运行，避免了可视化的相关资源的应用，速度相对来说比在GUI界面完成要快。而且批处理最大的好处是可以便于第三方软件调用或者编写的程序自动执行批处理过程，在ANSYS二次开发中使用较多。在系统中选择通过batch模式对ANSYS进行调用。ANSYS批处理(batch)模式的在windows系统下采用命令行进行调用。

结束语

影响水切割加工工件表面质量的因素很多，但只要对其进行系统的分析和科学的分类，就可以对这类复杂而且零乱的因素进行控制与调配，从而改善和提高工件表面质量；以上是笔者在使用该设备过程中所得出的一些见解，有不足之处请同行指出。

参考文献

[1]张聪华，张鑫，黄生庆.有关水切割机床JETCAM软件的故障分析[J].科技创新与应用，2015(32):124.

[2]代子阳.基于超高压五轴水切割机床加工的后置处理的研究[D].华侨大学，2015.

[3]姜莉.水切割机床用自动开合型磨料罐[J].科技创新与应用，2016(32):91.