بهبود سفتی ماشین فرز با استفاده از بهینه‌سازی آرایش تقویت‌کننده‌های داخلی و توزیع ضخامت دیواره ستون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

خیز استاتیکی مجموعه ماشین‌ابزار در اثر نیروهای بالای ماشین‌کاری و بهتبع آن جابه‌جایی سر ابزار مهم‌ترین عامل کاهش دقت ابعادی قطعه کار می‌باشد. همچنین انطباق محدوده فرکانس کاری با فرکانس‌های طبیعی موجب پدیده نامطلوب تشدید و ابزارلرزه می‌شود. کاهش انرژی کرنشی ستون و به تبع آن کاهش جابه‌جایی سر ابزار و افزایش فرکانس طبیعی اول ماشین فرز عمودی، با توجه به انتخاب محدوده فرکانس کاری زیر فرکانس اول، تغییرات مطلوبی است که با بهینه‌سازی توزیع ضخامت دیواره ستون و آرایش تقویت‌کننده‌های داخلی متصل به آن میسر است. در این مقاله روشی مستقیم مبتنی بر تحلیل حساسیت، برای بهینه‌سازی آرایش تقویت‌کننده‌های متصل به سازه‌های صفحه‌ای و پوسته‌ای ارائه شده است که در هر مرحله از بهینه‌سازی، با ایجاد حلقه ارتباط بین نرم‌افزارهای متلب و آباکوس و بر اساس تحلیل حساسیت انجام شده توسط حلگر اجزاء محدود آباکوس، تقویت‌کننده‌هایی که بیشترین تأثیر را در بهینه‌سازی تابع هدف دارند به فضای طراحی افزوده می‌شوند. پس از بهینه‌سازی توزیع ضخامت دیواره ستون با استفاده از ابزار بهینه‌سازی اندازه نرمافزار آباکوس، از روش ارائه شده برای بهینه‌سازی آرایش تقویت‌کننده‌های داخلی متصل به دیواره ً بدون افزایش وزن ستون، بیشینه جابه‌جایی ماشین فرز 6/9 درصد کاهش و فرکانس طبیعی ستون استفاده شد. نهایتا اول آن 16/5 درصد افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Improving the Milling Machine Stiffness by Optimizing the Internal Stiffeners Layout and the Wall Thickness Distribution of Column

نویسندگان [English]

  • Aziz Shokri
  • Javad Akbari
School of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Machine tool static deflection due to the machining forces and thus the displacement of tool tip is the most important factor in reducing the dimensional accuracy of workpiece. Also, overlap of the operation frequency range with the machine natural frequencies causes an undesirable resonance phenomenon. Since the operating frequency range is lower than the first natural frequency, increasing the first natural frequency of milling machine and reducing the displacement of tool tip is a desirable modification that can be achieved by optimizing the wall thickness distribution and the internal stiffeners layout of column. This paper suggests a new method for the optimization of stiffeners layout for plate/ shell structures. In each step of optimization, by establishing a loop of relationship between MATLAB and ABAQUS software and based on the sensitivity analysis, the most effective stiffeners on optimizing the objective function are added to  design space. After optimizing the wall thickness distribution of the column using the ABAQUS software size optimization module, the suggested method is used to optimize the internal stiffeners layout. Ultimately, without increasing the column weight, the maximum displacement of machine tool is reduced by 6.9% and the first natural frequency is improved by 16.5%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Static deflection
  • resonance phenomenon
  • Optimizing the stiffeners layout
  • Sensitivity analysis
  • milling machine column
[1]   M.P. Bendse, N. Kikuchi, Generating optimal topologies in structural design using a homogenisation method, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 71(2) (1988) 197--224.
[2]   A.R. Daaz, N. Kikuchi, Solutions to shape and topology eigenvalue optimization problems using a homogenization method, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 35(7) (1992) .2051-7841
[3]   J.H. Luo, H.C. Gea, Optimal bead orientation of 3D shell/plate structures, Finite Elements in Analysis and Design, 31(1) (1998) 55--71.
[4]   J.H.L. Gea, C. H, A systematic topology optimization approach for optimal stiffener design, Structural Optimization, 288 (1998) 280--288.
[5]   L.A. Krog, N. Olhoff, Optimum topology and reinforcement design of disk and plate structures with multiple stiffness and eigenfrequency objectives, Computers and Structures, 72(4) (1999) 535-563.
[6]   R.J. Yang, C.H. Chuang, Optimal topology design using linear programming, Computers & Structures, 52(2) (1994) 265-275.
[7]   Y.M. Xie, G.P. Steven, A Simple Approach To Structural Optimization, Computers & Structures, 49(5) (1994) 885--896.
[8]   O.M. Querin, G.P. Steven, Y.M. Xie, Evolutionary structural optimisation (ESO) using a bidirectional algorithm, Engineering Computations, 15(8) (1998) 1031-1048.
[9]   X. Ding, K. Yamazaki, Stiffener layout design for plate structures by growing and branching tree model (application to vibration-proof design), Structural and Multidisciplinary Optimization, 26(1-2) (2004) 99-110.
[10]  B. Li, J. Hong, Z. Wang, Z. Liu, An Innovative Layout Design Methodology for Stiffened Plate/Shell Structures by Material Increasing Criterion, Journal of Engineering Materials and Technology, 135(2) (2013) 021012.
[11]  B. Li, J. Hong, S. Yan, Z. Liu, Multidiscipline topology optimization of stiffened plate/shell structures inspired by growth mechanisms of leaf veins in nature, Mathematical Problems in Engineering, 2013 (2013).
[12]   B. Li, J. Hong, Z. Liu, Stiffness design of machine tool structures by a biologically inspired topology optimization method, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 84 (2014) 33-44.
[13]   S. Yan, B. Li, J. Hong, Bionic design and verification of high-precision machine tool structures, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 81(1) (2015) 73-85.
[14]   Abaqus, Choosing a beam element, in: 29.3.3 (Ed.), Abaqus Analysis User’s Guide, USA, 2014.
[15]  H. Zamani, Design, Static and Dynamic Analysis of Crossbeam of a Gantry Milling Machine, Sharif University of Technology, Tehran,Iran, 2013 (In Persian).