龙门铣床滑枕优化设计

　　目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有变厚度法、变密度法及均匀化方法。
　　变厚度法：以单元厚度为设计变量，通过删除厚度处于尺寸下限的单元实现结构拓扑的变更，避免均匀化方法中构造微结构的麻烦，因此可以较为方便地解决平面拓扑优化问题，但无法运用于三维结构中。
　　变密度法：定义取值范围为[ 0，1] 的相对密度μ，将优化目标用相对密度μ的显性函数表示，然后运用数学规划法或优化准则法求解。由于优化过程中不直接删除材料，对于具有中等大小相对密度的单元，是否删除就变得难以抉择。
　　均匀化法：在拓扑优化中引入所谓微结构，该方法以空孔尺寸为设计变量，以空孔尺寸的消长实现微结构的增删，从而改变结构拓扑。均匀化方法是比较流行的方法，拓扑优化后单元的密度值是介于0～1 之间的连续值，得到的是一种比较模糊的拓扑结构。
　　拓扑优化获得的最优拓扑结构形式只考虑到结构的强度，还需要在拓扑优化的基础上根据制造工艺、装配关系等设计要求重新设计新结构。拓扑优化在机床的结构设计中已经得到广泛应用。滑枕通常一次成型，属于连续体结构，其刚度性能直接影响到机床的加工精度。因此，本文采用拓扑优化方法对加工中心的滑枕进行优化设计。
2 滑枕模型
　　滑枕外部与其它零件装配面比较多，主要包括主轴箱滑块安装面、滑枕上下滑块安装面、电机安装面，在拓扑优化中将这些面分离出来作为非优化区，以保证优化后的结构能够与其他零件正常装配。滑枕内部结构应设计成筋板结构，在保证强度和刚度足够的条件下减轻滑枕的重量。滑枕的几何模型如图1 所示。
　　在建立滑枕优化模型时，需要对滑枕结构进行模型简化，利用对称性简化滑枕，取一半模型进行优化，去除模型中不必要的结构，采用均匀化网格，网格大小能完全体现模型特征。滑枕主要材料特性有弹性模量2.1×105 MPa、泊松比 0.3、密度 7.9×10-9 t/mm3。在Hyperworks 软件中导入模型，结合实际装配要求，把滑枕的模型分为设计区域与非设计区域两部分。对设计区域，其结构包络原始结构的布置空间，使材料在此空间内按优化要求可以重新分布；对于非设计区域，其结构形式与外形均不改变。选取实体单元对设计区域与非设计区域划分网格，网格大小为 20 mm，单元总数目为 66 258。滑枕优化模
型如图2 所示。

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5 结论
对龙门铣床滑枕的结构进行有限元分析，在OptiStruct中对滑枕结构进行拓扑优化设计，获得优化的滑枕结构。最后对优化后的滑枕进行验证分析，结果表明优化后的滑枕结构刚度更高，重量更轻，节约原材料的使用，降低设计开发周期和经济成本，为后期对滑枕的进一步设计提供理论基础。

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