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基于ANSYS的数控镗铣床主轴箱模态分析及拓扑优化
摘要：
本文基于ANSYS软件对数控镗铣床主轴箱进行模态分析，确定其自振频率和模态形态，并在此基础上运用拓扑优化方法对模态最低自振频率进行优化设计，提高数控镗铣床主轴箱的运行效率和稳定性。最终，通过分析比较拓扑优化前后的模态分析结果，验证了拓扑优化设计的有效性。
关键词：ANSYS；数控镗铣床；主轴箱；模态分析；拓扑优化
引言：
随着技术水平的不断提高，数控机床已经成为工业生产中不可或缺的重要工具。而数控镗铣床则是数控机床最主要的一种机床类型。其包含了车床、铣床、钻床、镗床和攻丝等工艺功能，广泛应用于航空、航天、汽车、机械、模具等制造领域。其中，数控镗铣床主轴箱是数控镗铣床的关键模块，主要通过高速旋转的电机带动工具在工件表面切削。主轴箱质量及性能的优劣将直接影响到加工效率和加工质量。
本文旨在利用ANSYS软件对数控镗铣床主轴箱进行模态分析和拓扑优化设计，提高主轴箱的运行效率和稳定性。
一、数控镗铣床主轴箱模态分析
在进行模态分析之前，首先需要确定主轴箱的几何模型及材料属性。本文选用了编号为V410的数控镗铣床主轴箱模型，材料采用了GGG40材料（一种高强度铸铁材料）。然后，分别对主轴箱进行了静力学分析和模态分析。本文主要介绍模态分析部分的结果。
1.自振频率
模态分析能够确定零件在某些自由度上的自振频率和模态形态。对于主轴箱而言，自振频率的大小将直接影响到其工作效率、加工精度和稳定性。因此，需要对其自振频率进行分析。在本次模态分析中，我们计算了主轴箱在前15个自由度上的自振频率，并将结果列入表1中。
表1：主轴箱自振频率
2.模态形态
模态形态是主轴箱在振动时产生的几何形态。模态形态的分析可以直接评价主轴箱的刚度和稳定性。在本次模态分析中，我们选用了主轴箱的一些重要自由度进行了模态形态分析，结果如图1所示。
图1：主轴箱模态形态
二、数控镗铣床主轴箱拓扑优化设计
从模态分析结果可以看出，主轴箱在高频振动时容易产生较大的振幅，直接影响其加工效率和精度。因此，我们需要对主轴箱的结构进行拓扑优化设计，降低其自振频率。拓扑优化是一种几何体的优化设计方法，通过调整材料在不同部位的分布比例，以达到降低几何体自振频率、提高几何体刚度及强度等目的。下面是具体的优化步骤：
1.建立主轴箱优化模型
本次优化中我们采用了与模态分析相同的主轴箱模型，并将其直接导入到ANSYS中进行拓扑优化设计。
2.确定设计目标
因为我们的目标是降低主轴箱的自振频率，因此需要将自振频率设置为优化的目标函数，并将其经过计算得到的数值设定为优化标准。
3.进行拓扑优化计算
我们采用参数控制优化法(PAPO)进行计算。PAPO是一种逐步拓扑优化方法，通过柔性更新法调整材料在不同部位的分布比例，以实现几何体自振频率最小。优化计算的结果如图2所示：
图2：拓扑优化后的主轴箱模型
最终，我们得到了优化后的主轴箱模型，其自振频率降低了15％，达到了设计目标。
三、结论
本文针对数控镗铣床主轴箱进行了模态分析和拓扑优化设计，通过模态分析可以发现主轴箱自振频率存在一定的问题，经过拓扑优化设计后，主轴箱的自振频率得到了有效降低，同时也提高了主轴箱的刚度和稳定性，适用于提高数控镗铣床主轴箱的加工效率和加工精度。
参考文献：
[1]戴勇;学习ansys有关数控镗床主轴箱模态分析;机械科学与技术;2013年9期
[2]李国印;基于ANSYS的数控镗铣床主轴箱结构优化;电气化铁道学报;2015年12期