铣车复合加工中心立柱高比刚度效能仿生设计研究


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 前言:

 本文以铣车复合加工中心立柱为研究对象,从结构仿生的设计原理出发,以提取空茎植物的构型特性为依据,以立柱工作载荷计算结果为条件,并以加工中心立柱达到高比刚度效能为目的,对铣车复合加工中心立柱的内部进行了结构仿生设计,并对优化后立柱结构进行静力和模态仿真分析,为加工中心支承件结构设计提供了新的思路。

1立柱结构仿生设计

动物的骨骼、植物的枝条根茎等“生物支架”,充分体现了自然进化的最优结构,以最少的材料承受最大的载荷,从而获得结构效能最大值M。空茎植物具有最优的力学性能,其结构特征主要表现为:硬质材料
集中在外面,中间为松软状物质,同时表层组织的弹性模量大于沿纵向周向而又远大于内部组织,而弹性模量对于结构的高比刚度效能起到关键性作用。

在结构方面,立柱与中空植物茎杆十分相似,都存在连续和离散结构的布局;在功能方面,除去生物机理外,立柱与茎杆都是在整个生物体中作为支承件,承受其他部件和载荷引起的压力和弯矩,相似于植物叶片对叶柄施加压力和弯矩,因此,生物体的轻质空心结构是高比刚度效能设计的首选原型[1] ,从生物结构仿生思想出发,在分析植物茎杆结构规律的基础上,以不改变铣车复合加工中心立柱现有整体功能结构为前提,根据叶柄截面的生物组织形式,对立柱隔板筋板进行仿生演进设计。

1.1仿生设计过程

结构仿生设计主要分为以下3个步骤:

(1)     生物结构原则分析。根据机械结构的功能要求,进行相似性分析,总结相对应生物体构型原则。

(2)     仿生设计应用。将所述生物体结构的构型原则应用于机械结构改进。

(3)     优化模型确定。将仿生型与原型结构进行对比,确定最优仿生型结构并总结规律。

1.2生物体构型分析以及应用

(1)     主受压区域:因为叶柄在主受压区域增加材料密度和尺寸,所以在立柱的主受压区,以提高抗弯性能为目的,抵抗导轨受力引起的弯曲变形,适当增加向心状仿生隔板,提高抗弯性能。

(2)     主受拉区域:立柱左右外侧面受拉明显,结合铸造工艺和结构仿生构型比拟的基本原则,侧面筋板采用辐射状“太阳筋”改进结构可以有效提高整体刚度。结合芭蕉叶柄内部结构对立柱内部做仿生设计,确定在墙体式封闭型对称框架结构的立柱内部增加放射状封闭截面隔板,最后在结合立柱工作载荷分析结果,从结构高比刚度及轻量化要求出发,立柱内部结构优化设计结果如图1和图2所示。


 

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结束语:

 本文在分析铣车复合加工中心立柱工作载荷的基础上,根据空茎植物的力学与结构特点,以立柱的高比刚度效能为目的对其结构进行仿生设计,结果表明,仿生型立柱的比刚度效能提高14. 3 %,—阶固有频率提高1.3%,质量减轻5.7% ,加工误差敏感方向的方向变形减小了 2. 29K达到了较为满意结果,为高速加工中心结构件设计提供了新的思路。

 

 

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