CN103106307B - 激光切割机的横梁设计方法 - Google Patents

Abstract

一种激光切割机的横梁设计方法，将横梁进行简化，建立横梁的结构参数化的几何模型，并根据结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型。进一步的，依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从多个结构参数中选取设计变量。利用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数的最优解。因此，当确定横梁的设计变量后，便可利用有限元分析软件中的优化模块得到结构参数的最优解，而不必设计人员反复对模型进行修改和试算，从而提高了横梁设计效率。

Description

激光切割机的横梁设计方法

技术领域

本发明涉及机床设计技术，特别是涉及一种激光切割机的横梁设计方法。

背景技术

在一定动态力的作用下，机械结构的动态性能越好，其抗振能力越好，产生的振幅越小，加工精度越高。在高速激光切割机中，横梁承担切割装置的重量，且仅由两端支撑。切割装置完全位于横梁悬空区间内。如果横梁动态性能较差，横梁或切割装置在做加减、速运动时，切割头容易产生较大的位移偏差。若横梁的固有频率与振源频率接近，甚至可能出现共振的情况。

在高速激光切割机中，横梁所受外力的激励形式以自由振动和受迫振动为主。对于自由振动，结构的固有频率越高，阻尼越大，则出现振动时最大振幅越小，振动衰减越快，动态性能越好。对于受迫振动，激励频率和结构固有频率越接近，结构的动态性能越小。因此，在横梁设计时应在避开激励频率前提下，尽量提高自身的固有频率。由于固有频率是由结构本身的材料属性和质量分布决定的，故一般通过改进横梁结构提高固有频率，以达到提高其动态性能的目的。

传统的横梁设计方法主要依赖设计人员的经验完成，通常需要反复的试制及比对实际效果进而优化结构。随着有限元方法逐渐应用到工程设计中，横梁结构的性能指标可以用有限元方法进行计算和评价，横梁的反复试制和改进工作逐渐地替换为有限元模型的反复计算和设计模型改进工作。但是，横梁的参数仍需要设计人员多次测试改并对模型进行修改和试算，且横梁结构的优化程度依赖于设计人员的经验。因此，传统的横梁设计周期较长，从而使得横梁设计效率低。

发明内容

基于此，有必要提供一种可有效提高横梁设计效率的激光切割机的横梁设计方法。

一种激光切割机的横梁设计方法，包括以下步骤：

将横梁简化为多个结构元素，所述结构元素包括多个结构参数，根据所述结构元素建立所述横梁的结构参数化的几何模型；

根据所述结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型；

依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从所述多个结构参数中选取设计变量；

利用有限元分析软件对所述设计变量进行优化，得到所述结构参数的最优解。

在其中一个实施例中，所述结构元素包括外框及回型筋，所述回型筋收容于所述外框内并与所述外框的内壁抵接，以支撑所述外框。

在其中一个实施例中，所述结构参数包括、外框长度、外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数。

在其中一个实施例中，所述根据所述结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型的步骤为：

设置进行模态分析的前处理条件参数，所述前处理条件参数包括材料属性、网格划分及固定边界条件的参数；

根据所述结构参数的初始值进行初次模态计算，并设置所述横梁的固有频率参数，所述固有频率参数包括第一阶频率、第二阶频率及第三阶频率。

在其中一个实施例中，所述依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从所述多个结构参数中选取设计变量的步骤为：

根据对所述横梁的实际需求设置所述结构参数的设计范围；

依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，得到所述固有频率参数随所述变量在设计范围内变化的变化规律；

根据上述变化规律，选取对所述固有频率参数的影响超过预设范围的结构参数作为设计变量。

在其中一个实施例中，所述依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，得到所述固有频率参数随所述变量在设计范围内变化的变化规律的步骤为：

依次仅改变所述横梁的外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数，并根据所述固有频率参数的变化得到所述变化规律，其中，所述外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度对所述固有频率参数的影响超过预设范围，回型筋的厚度及回型筋个数对所述固有频率参数的影响未超过预设范围。

在其中一个实施例中，所述利用有限元分析软件对所述设计变量进行优化，得到所述结构参数的最优解的步骤为：

将所述横梁的质量设定为状态变量，并设置所述设计变量、所述状态变量的约束范围及目标函数；

进行有限元分析循环，得到所述设计变量的最优解。

在其中一个实施例中，所述进行有限元分析循环，得到所述设计变量的最优解的步骤为：

根据所述固有频率参数随所述外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度变化的变化规律以及所述外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度与所述横梁的质量的关系，确定最优的外框宽度、外框高度、外框壁厚及回型筋高度的值。

上述激光切割机的横梁设计方法，将横梁进行简化，建立横梁的结构参数化的几何模型，并根据结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型。进一步的，依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从多个结构参数中选取设计变量。利用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数的最优解。因此，当确定横梁的设计变量后，便可利用有限元分析软件中的优化模块得到结构参数的最优解，而不必设计人员反复对模型进行修改和试算，从而提高了横梁设计效率。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中激光切割机的横梁设计方法的流程图；

图2为本发明较佳实施例中横梁的的结构参数化的几何模型；

图3为根据结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型的流程图；

图4为依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从多个结构参数中选取设计变量的流程图；

图5为回形筋个数对前三阶频率的影响规律曲线的示意图；

图6为回形筋高度对前三阶频率的影响规律曲线的示意图；

图7为利用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数的最优解的流程图；

图8为优化前后所述横梁的固有频率参数及质量的对比示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

请参阅图1，本发明较佳实施例中的激光切割机的横梁设计方法，包括以下步骤：

步骤S110，将横梁简化为多个结构元素，结构元素包括多个结构参数，根据结构元素建立横梁的结构参数化的几何模型。

具体的，本发明中的激光切割机的横梁设计方法是基于有限元的模拟软件（如ANSYS）实现的。将实际的横梁划分为多个结构元素，将结构元素作为构成横梁的最基本元素。每个结构元素包括多个结构参数，结构参数用于表述结构元素的各个属性。

进一步的，对其中的结构参数赋初始值，建立结构参数化的几何模型，该结构参数化的几何模型中的横梁由结构元素构成。

请参阅图2，在本实施例中，结构元素包括外框及回型筋。回型筋收容于外框内并与外框的内壁抵接，以支撑外框。进一步的，结构参数包括外框长度、外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数。

需要指出的是，将横梁简化为由外框及回型筋构成的结构只是本发明较佳实施例中的一种。在其他实施例中，还可根据需要，还可将横梁简化成由其他结构元素构成的结构。

步骤S120，根据结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型。

具体的，以横梁的结构参数化的几何模型为基础建立有限元模型，有限元模型为基于几何模型的数值分析模型。根据有限元模型进行模态分析，得到影响横梁频率的结构参数。

请参阅图3，在本实施例中，上述步骤S120具体包括以下步骤：

步骤S121，进行有限元模型前处理设置，设置进行模态分析的前处理条件参数。

具体的，前处理条件参数包括材料属性、网格划分及固定边界条件的参数。材料属性包括横梁材料的弹性模量、密度、泊松比。固定边界条件根据横梁实际的安装位置而定。步骤S123，根据结构参数的初始值进行初次模态计算，并设置横梁的固有频率参数。

具体的，固有频率参数包括第一阶频率、第二阶频率及第三阶频率。

在有限元模拟软件中，根据横梁结构的材料属性、结构几何参数、边界条件等可以模拟得到横梁的模态（包括各阶固有频率和振型）。固有频率体现横梁的动态性能。

步骤S130，依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从多个结构参数中选取设计变量。

理论上，在结构参数化的几何模型中，所有的结构参数对结构的动态性能均产生影响，但影响的程度有差别。对动态性能影响大的结构参数对横梁的设计至关重要，而影响小的结构参数则可在符合实际需求的范围内适当选取。因此，为简化后续的优化过程，在对结构参数进行优化之前，需先筛选出对横梁的动态性能的影响超过预设范围的结构参数作为设计变量。

请参阅图4，在本实施例中，上述步骤S130具体包括以下步骤：

步骤S131，根据对横梁的实际需求设置结构参数的设计范围。

具体的，设计范围即结构参数的变化范围，设计范围应符合实际并满足机床设计要求。在进行模态分析时，结构参数只在设计范围内变化。因此，可剔除不符合实际需求的模拟结果，从而提高效率。

步骤S133，依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，得到固有频率参数随变量在设计范围内变化的变化规律。

具体在本实施例中，可作为变量的结构参数为外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数。而由于外框长度由横梁的应用场景决定，因此不作为变量进行模态分析。在进行模态分析时，选取一个结构参数作为变量，而其他结构参数则被设定为初始值。利用有限元模拟软件的随机搜索方法进行模态分析。

进入优化设计模块、指定随机搜索方法、定义最大迭代次数和最大合理的设计数。程序完成指定次数的有限元分析循环，并在每次循环中使用随机搜索变量值，循环结束后以图表的形式输出结果。依次选取外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数中的任一个结构参数单独作为变量，便可得到各个结构参数对固有频率参数的影响规律曲线。

步骤S135，根据变化规律，选取对固有频率参数的影响超过预设范围的结构参数作为设计变量。

具体的，根据各个结构参数对固有频率参数的影响规律曲线，将对固有频率参数影响较大的结构参数选作设计变量。具体在本实施例中，外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度对所述固有频率参数的影响超过预设范围，回型筋的厚度及回型筋个数对所述固有频率参数的影响未超过预设范围。

下面以回型筋个数及回型筋高度作为变量进行具体说明：

优化程序在回形筋个数的变化范围（即回型筋个数的设计范围）内进行有限元分析循环，得到回形筋个数对前三阶频率的影响规律曲线。如图5所示，当其他结构参数保持不变，回形筋个数变化时，前三阶频率均呈逐渐上升的趋势，但各曲线的变化趋势较缓，回形筋个数对前三阶固有频率的影响较小。因此，回型筋的个数可根据实际需要取一个适中的值即可，不选为设计变量。

优化程序在回形筋高度的变化范围（即回型筋高度的设计范围）内进行有限元分析循环，得到回形筋高度对前三阶频率的影响规律曲线。如图6所示，当其他结构参数保持不变，回形筋高度变化时，前三阶频率均呈逐渐上升的趋势，其中第一阶频率影响曲线趋势平缓，影响较小；而第二频率、第三阶频率影响曲线上升趋势明显。因此，将回型筋高度选取为设计变量。

步骤S140，利用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数的最优解。

具体在本实施例中，通过模态分析后，所选取的设计变量为外框宽度、外框高度、外框厚度及回形筋高度。因此，上述结构参数对横梁的固有频率参数（即横梁的动态性能）有较大影响。通过对上述结构参数进行优化，便可设计出动态性能较好的横梁。

请参阅图7，在本实施例中，上述步骤S140具体包括以下步骤：

步骤S141将横梁的质量设定为状态变量，并设置设计变量、状态变量的约束范围及目标函数。

具体的，横梁结构优化的目的就是横梁的动态性能较好，同时质量较轻。状态变量（横梁的质量）随着设计变量的变化而变化。状态变量的约束范围即用于约束横梁的质量，从而在优化结构参数的同时，将横梁的质量限定在较小范围内。固有频率参数随外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度的增加而升高，横梁的动态性能提升。而横梁的质量则随外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度与所述横梁的增加而增大。因此，需要在控制横梁质量的同时使横梁的动态性能尽可能提高。

在本实施例中，目标函数为二阶频率的倒数，优化的目的即找到使二阶频率的倒数为最小值的结构参数。需要指出的是，在其他实施例中，还可根据设计需求选取其他函数作为目标函数。

步骤S143，进行有限元分析循环后，得到设计变量的最优解。

具体的，进入优化设计模块、指定零阶优化方法、定义最大迭代次数。程序进行指定次数的有限元分析循环，程序终止时得到若干个优化参数组合。

进一步的，在优化的参数组合中，选取设计变量、状态变量分别在设计范围和约束范围内，且前三阶固有频率较高，质量较轻的一组结构参数作为横梁设计的最优结构参数。

请参阅图8，优化后横梁的质量（Mass）从108.8Kg减少至98.2Kg，减少了9.7%；第一阶频率（f1，振型均为上下弯曲）从125.4Hz增加至130.42Hz，提高了4.0%；第二阶频率（f2，振型均为前后弯曲）从168.01Hz增加至171.79Hz，提高了2.2%；第三阶频率（f3，振型均为中部扭转）从346.09Hz增加至359.40Hz，提高了3.8%；前三阶频率均有一定提高，同时结构的质量得到减轻。可见，通过本发明对横梁结构进行优化和改进，可以提高结构固有频率、减轻结构质量，达到提高横梁的动态性能的目的。在整个横梁的改进过程中，避免了传统改进方法中的不足：参数化建模和优化分析省去了大量的人工修改模型过程，多参数优化方法综合考虑了各结构参数之间的相互影响，更容易得到各结构参数的最优值，结构改进效率高。

上述激光切割机的横梁设计方法，将横梁进行简化，建立横梁的结构参数化的几何模型，并根据结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型。进一步的，依次将多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从多个结构参数中选取设计变量。利用有限元分析软件对设计变量进行优化，得到结构参数的最优解。因此，当确定横梁的设计变量后，便可利用有限元分析软件中的优化模块得到结构参数的最优解，不必设计人员反复对模型进行修改和试算，从而提高了横梁设计效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将横梁简化为多个结构元素，所述结构元素包括多个结构参数，对其中的结构参数赋初始值，根据所述结构元素建立所述横梁的结构参数化的几何模型；

根据所述结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型；所述根据所述结构参数化的几何模型建立模态分析有限元模型的步骤为：

设置进行模态分析的前处理条件参数，所述前处理条件参数包括材料属性、网格划分及固定边界条件的参数；

根据所述结构参数的初始值进行初次模态计算，并设置所述横梁的固有频率参数，所述固有频率参数包括第一阶频率、第二阶频率及第三阶频率；

依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从所述多个结构参数中选取设计变量，所述依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，并根据模态分析的结果从所述多个结构参数中选取设计变量的步骤为：

根据对所述横梁的实际需求设置所述结构参数的设计范围；

依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，得到所述固有频率参数随所述变量在设计范围内变化的变化规律；

根据上述变化规律，选取对所述固有频率参数的影响超过预设范围的结构参数作为设计变量；

利用有限元分析软件对所述设计变量进行优化，得到所述结构参数的最优解。

2.根据权利要求1所述的激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，所述结构元素包括外框及回型筋，所述回型筋收容于所述外框内并与所述外框的内壁抵接，以支撑所述外框。

3.根据权利要求2所述的激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，所述结构参数包括外框长度、外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数。

4.根据权利要求1所述的激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，所述依次将所述多个结构参数中的单个结构参数单独作为变量进行模态分析，得到所述固有频率参数随所述变量在设计范围内变化的变化规律的步骤为：

依次仅改变所述横梁的外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋的厚度、回型筋高度及回型筋个数，并根据所述固有频率参数的变化得到所述变化规律，其中，所述外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度对所述固有频率参数的影响超过预设范围，回型筋的厚度及回型筋个数对所述固有频率参数的影响未超过预设范围。

5.根据权利要求1所述的激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，所述利用有限元分析软件对所述设计变量进行优化，得到所述结构参数的最优解的步骤为：

将所述横梁的质量设定为状态变量，并设置所述设计变量、所述状态变量的约束范围及目标函数；

进行有限元分析循环，得到所述设计变量的最优解。

6.根据权利要求5所述的激光切割机的横梁设计方法，其特征在于，所述进行有限元分析循环，得到所述设计变量的最优解的步骤为：

根据所述固有频率参数随外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度变化的变化规律以及外框宽度、外框高度、外框壁厚、回型筋高度与所述横梁的质量的关系，确定最优的外框宽度、外框高度、外框壁厚及回型筋高度的值。