原橫梁靜態模態分析
對于橫梁等大型零部件，其內部的筋板結構設計得是否合理，關系著橫梁系統,甚至整個加工中心系統的加工性能。動梁龍門加工中心的橫梁作為運動與支承部件，其靜動態性能對加工中心加工精度影響重大，因此,針對橫梁內部筋板結構進行設計與優化。如圖3所示，為原橫梁結構圖，其中橫梁內部筋板結構為“米”型，筋板厚度為30 mm〇因為滑座組件(包括滑座、主軸箱、滑枕等在橫梁上移動的行程范圍僅為圖中所示的L區域，因此在對橫梁進行優化設計過程中僅對橫梁L區域段的筋板結構進行優化設計。為提高有限元仿真分析的效率與準確性,分析時，僅
將橫梁導入分析軟件，此夕卜,去除橫梁模型上不必要的孔和細小零件「-101,其中橫梁材料屬性設置為：密度7250kg/m3,彈性模量120GPa,泊松比
0. 27,環境溫度22^;網格劃分時設置相關度為100%,網格大小0.05 m。如圖4所示，將滑座組件的重力對橫梁的作用效果等效為對應上下導軌面的正壓力廠2和尸3,將滑座組件重力對橫梁的扭轉作用等效為上導軌內側面和下導軌外側面的力^和盡，將滾珠絲杠對橫梁的托舉力2&作用等效為對應面的固定約束，將橫梁后側液壓夾緊裝置的作用效果等效為對應面的固定約束。
將橫梁三維模型導入ANSYS中，仿真分析橫梁在非工作狀態下的靜動態特性，如圖5所示為原橫梁有限元分析最大變形云圖和最大應力云圖，其中最大變形量為
36.109 |jLm,位置在橫梁中間部位，最大應力為4.4558 MPa。雖然以上兩指標均可滿足出廠設計要求，但是最大變形量仍然有提高的空間。此外，最大應力遠小于材料HT300的許用應力，因此，在后續的優化設計中可將最大應力作為次要評估指標。
對橫梁進行模態分析,分析結果如圖6所示，其中一階固有頻率為138.68 Hz,然而外在的激振頻率為〇~1〇〇 Hz,因此該橫梁不會發生共振現象，所以，在后續的優化設計中可將一階固有頻率做為次要評估指標。其中原橫梁一階固有頻率振型為沿Z軸平動，說明橫梁在受到外載荷G骨板組件及切削力）作用下，當激振頻率與固有頻率相近時，發生共振，且易發生沿Z軸方向的傾斜翻轉,從而損壞橫梁及其它部件的結構，因此，實際生產過程中應該避免加工中心處于激振頻率較高的環境中或遠離振動頻率較高的機械設備。
3橫梁結構優化
3. i橫梁筋板結構優化設計
橫梁筋板結構對橫梁的靜動態特性均有很大的影響，文中對橫梁的筋板結構進行了優化設計，在筋板厚度不變的情況下,即筋板厚度為30 mm。將筋板結構設計成如圖7所示結構，即“十”型結構。
3.2橫梁支撐筋板結構優化設計
由圖5的橫梁靜力學分析云圖可知，橫梁上導軌變形
最大，且最大變形位置在橫梁上導軌中間部位，上導軌結構類似于懸臂梁結構，這種結構最大的缺點是底部彎矩大，易發生較大的扭轉變形，而針對這樣的結構，簡單有效的方法是在懸臂梁的下端部增加加強筋板。結合橫梁自身結構特點,為降低其最大形變量，將橫梁上導軌下側的支
撐筋板傾斜設計，如圖8所示，優化前橫梁上導軌下側支撐筋板水平設計沒0°),優化后將其傾斜55。設計，即 0=55。。
4優化結果對優化后
的橫梁進行有限元仿真分析，并對優化前后的各項性能進行比較，結合1、2節的分析，以最大變形量、質量作為主要評估指標，以一階固有頻率和最大應力作為次要評估指標，對優化后的橫梁進行評估比較。如圖9所示,為優化后橫梁的有限元分析云圖。
如表1所示為優化后橫梁的前4階固有頻率及振型。
優化前后主要參數對比如表2所示。其中優化后橫梁質量減輕最明顯，減輕了499kg,最大變形量減少了7.84%,雖然一階固有頻率有稍微的減少,但是其值任然遠大于激振頻率,最大應力雖然增加了0.15 MPa,但是其值遠小于材料HT300的許用應力；此外,橫梁的X、F、2向的形變量均有不同程度的減少,其中;f向橫梁形變減少最大,減少了16.99%。綜合以上分析說明優化后橫梁上導軌面的扭轉變形明顯減少，剛性增加，橫梁的靜動態性能得到提高，優化設計的方法與角度是合理可行的。
表2優化前后主要參數對比
參數
優化前
優化后
變化量
筋板結構
“井，，字形
“十，，字形
—
筋板厚度/mm
30
一
支撐筋板傾斜角度/ (。）
90
55
-35
總位移/|jLm
36.11
33.28
-7.84%
質量/kg
13 585
13 086
-499
—階固有頻率/Hz
138.68
137.56
-1.12
應力/MPa
4.46
4.61
+0.15
尤向形變/|xm
3.59
2.98
-16.99%
F向形變/(Jim
26.81
24.74
-7.72%
Z向形變
24.37
22.27
-8.62%
對橫梁進行建模和有限元分析，并對橫梁的內部筋板結構和橫梁薄弱環節的結構進行設計與優化，優化后在橫梁最大應力與一階固有頻率基本不變的情況下，橫梁質量減少了499 kg,最大變形量減少了7.84%,取得良好輕量化效果，為加工中心零部件的設計提供了方法參考。
文中雖然對橫梁的筋板結構和橫梁上導軌支撐筋板的結構進行了優化設計,使橫梁的性能得到有效提高，在以后的研究中，如果將橫梁的筋板厚度、橫梁箱體的壁厚以及橫梁的外形尺寸等作為優化設計的目標，并結合正交試驗法和靈敏度法將進_步提高優化設計的效率與參數選取的準確性。
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