郑文标，彭晋民

(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108；2.福建工程学院 机械与汽车工程学院，福州 350108)

卧式加工中心立柱的轻量化设计研究*

郑文标1，彭晋民2

(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福州 350108；2.福建工程学院 机械与汽车工程学院，福州 350108)

针对传统机床立柱设计中存在材料浪费、刚度不足与设计周期长等缺陷，以某卧式加工中心立柱为研究对象，运用有限元法对立柱进行静力学和模态分析，研究立柱的薄弱环节；然后利用Hyper Mesh软件，在保证立柱性能的前提下，以质量最小化为目标对立柱进行拓扑优化，根据拓扑优化的材料分布结果设计了新的立柱结构，通过对新立柱进行有限元分析，结果表明，立柱的质量减轻了7.88%，刚度和固有频率均有不同程度的提高，达到了立柱轻量化设计的目标。

立柱；有限元法；拓扑优化； 轻量化设计

0 引言

机床结构件的轻量化设计是指在满足机床性能的前提下，尽可能减轻的机床的重量，从而减少原材料，降低生产成本[1]。立柱作为机床主要的支撑件之一，受力集中且重量较大，其动、静态特性的好坏直接影响机床的加工精度。如何在保证立柱动、静态特性的前提下实现轻量化设计是设计人员面临的主要技术难题之一。

立柱的轻量化设计实际是一个结构优化问题，一般以立柱的质量为目标函数，动、静态特性为约束条件，寻求立柱质量的最小化。拓扑优化被认为最具有潜力的一种结构优化方法，已成为近几年研究的热点[2]，殷国富等运用拓扑优化方法对机床床身的筋板做了改进，提高了床身的动、静态特性[3]。……