基于拓扑优化的龙门铣床立柱轻量化设计

　　立柱结构是加工中心的主要组成部分，其刚度性能直接影响到加工中心的加工精度。立柱主要是对横梁和主轴箱起到支撑作用，满足主轴的 Z 向运动。目前普遍采用双立柱框架结构设计形式，大中型的移动立柱固定于滑座上。立柱是连接床身与主轴、刀库的重要部件，其设计必须得到重视。本文在 HyperMesh 中建立了GSLM3308 龙门铣床的立柱结构有限元模型，使用 OptiStruct 软件对立柱进行了拓扑优化，根据优化结果确定外部和内板加强肋合理布局，提高立柱性能的同时实现轻量化设计。

1 拓扑优化

　　拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法。与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义，目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的，用户只需要给出结构参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能，相当于提高结构的刚度。

　　拓扑优化的研究领域主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。连续体拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元（壳单元或者体单元），离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基结构，

质量为 3.38 t，顶部的变形为 0.84 mm，变形比较大，表明立柱刚度不足，需要对其进行结构优化，使刚度提高、重量减轻。

然后根据算法确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。

　　目前，拓扑优化在机床的结构设计中已经得到广泛应用[1-5]。本文采用拓扑优化法对加工中心的立柱进行优化设计。