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机床结构件优化设计
1范围
本文件规定了机床结构件拓扑优化、尺寸参数优化设计分析的方法及流程。
本文件适用于机床结构件在保证刚度及固有频率的前提下，进行轻量化设计。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其必威体育精装版版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB3100—1993国际单位制及其应用
GB3101—1993有关量、单位和符号的一般原则GB/T13574—1992金属切削机床静刚度检验通则GB/T16768—1997金属切削机床振动测量方法
GB/T17421.3—2009机床检验通则第3部分：热效应的确定
GB/T31054—2014机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语
GB/T33582—2017机械产品结构有限元力学分析通用规则3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1优化设计optimizationdesign
用于确定结构几何、物理和工艺等设计参数，以满足最优性能、可靠性、重量和成本等要求。[GB/T31054—2014,定义2.1.14]
3.2拓扑优化topologyoptimization
以材料最佳利用为目标的结构形状优化。[GBT31054—2014,定义3.5.5]
3.3参数化模型parametricmodel
在前处理时，将结构设计模型中的几何量、物理量或边界条件参数化的模型。[GB/T31054—2014,定义3.5.1]
3.4设计变量designvariable
参数化的几何、物理或边界条件，属自变量。[GB/T31054—2014,定义3.53]
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3.5状态变量statevariable
因结构设计变量的改变而引起结构状态变化的量，属因变量。[GB/T31054—2014.定义3.5.4]
3.6目标函数targetfunction
描述结构优化设计的目标与设计变量及状态变量的映射关系。[GB/T31054—2014,定义3.5.2]
4拓扑优化
机床结构件优化设计流程主要包括：拓扑优化、结构再设计、尺寸参数优化及对比验证，具体流程参见附录A中图A.1。
4.1坐标系
坐标系由右手定则来确定，宜选用笛卡尔直角坐标系，必要时可选用柱坐标系或球坐标系。
有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型载荷、约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时可增加局部坐标系。
4.2单位制
单位制的选择应按照GB3100-1993和GB3101-1993执行。根据机床产品特点选择SI单位制或其他单位制。例如，对质量较敏感的零件推荐采用SI单位制，质量单位为千克，具体参见附录B中表B.1;对质量不敏感的大型零部件产品推荐采用SI单位制倍数单位，质量单位为吨，具体参见表B.2。
4.3迭代模型建立
在初始迭代模型建立中，应遵循以下原则：
a)迭代模型应能够包括机床结构件特征；
b)迭代模型一般按1:1的比例关系建立；
c)尽可能的保留与结构件相接触的关键零件，如丝杠螺母、导轨滑块等，便于约束及载荷施加；
d)模型的命名应采用可识别的字符，并要保持唯一性。
4.4静动热态仿真分析
4.4.1网格划分
网格划分时，应符合以下要求：
a)应保留主要的几何轮廓线，网格应与几何轮廓保持基本一致；
b)对于实体单元网格，在结构厚度方向上应确保三层以上；
c)网格划分完成后，不应出现“警告”“报错”。
4.4.2材料设置
材料属性设置时，应符合以下要求：
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a)材料属性单位应与几何模型单位一致；
b)材料属性输入信息(如弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数等)应完整，能够准确表达结构的刚度、质量、阻尼特性及热特性。
4.4.3边界条件设置
(1)接触
接触设置应符合以下要求：
a)根据接触类型选择具体方式，相对固定的部件之间设置为绑定接触，运动部件之间设置为不分离接触；
b)接触设置应无重合、无干涉，避免出现非接触区域误接触设置。
(2)约束
约束施加应符合以下要求：
a)根据约束类型选择施加方式，优化设计分析中常用的约束为：床身与地面以固定支撑为约束；
b)约束区域应能准确反映实际约束情况，应避免单点约束，以防止应力集中，若实际约束区域小于一个单元时，应约束四个以上节点或细化网格。
(3)载荷
载荷施加应符合以下要求：
a)根据载荷情况，找到相关零件重心坐标点，并处建立远程点，施加对称的远程力载荷；
b)根据分析需求选择载荷类型，静动热态特性分析中常用的载荷包括重力载荷、热流载荷、对流载荷、流固耦
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