3500 kN立式摩擦焊机导柱的有限元模拟与优化设计

吴永强,辛 舟,李丽琼

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

作者简介：吴永强（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为成套装备与数字制造技术， 811357033@qq.com.

摘要：以3500 kN立式摩擦焊机导柱作为研究对象，首先进行有限元模拟，分析结果表明导柱有很大的改进空间。接着对导柱进行拓扑优化，优化结果作为材料最佳分布形式的参考。然后基于改进后的结构，对导柱进行六西格玛优化和可靠性分析。最后得到导柱的最优改进方案，导柱的整体质量减轻约16.76%。优化结果表明，将拓扑与参数优化相结合的优化方法应用于导柱的优化设计，效果显著。

关键词：立式摩擦焊机导柱；有限元模拟；拓扑优化；六西格玛

中图分类号：TH123     文献标识码：B     文章编号：2095-509X(2021)05-0011-04

3 500 kN立式专用摩擦焊机是电解铝阳极钢爪的专用焊接设备，导柱部件是摩擦焊机的重要部件，是整个机器中承受力较大的部件^［1］。国内外对机床导柱有过很多研究，文献^［2］应用Pro/E三维建模和ANSYS有限元分析相结合的方法完成了对TH65100型立柱式导轨的应力和变形情况分析与优化改进，该研究为提高机床的加工精度和立柱式导轨的结构特性提供了依据。文献^{［3］、［4］}应用有限元分析软件ANSYS对加工中心的立柱式导轨内部3种不同的肋板结构分别对应的静、动态特性进行了对比分析，优选出最佳的肋板结构形式。本文中导柱的强度与刚度直接影响摩擦焊接质量，因此对导柱部件进行有限元模拟与优化设计就显得很有必要。

1 有限元模拟

1.1 有限元模型的建立

摩擦焊主机主要由导柱、顶锻箱、机座、夹具、液压缸、主轴箱、电机等七大部件构成，如图1所示。

由于导柱模型为对称结构，因此取该模型的1/4用于分析^［5］，如图2所示。导柱所采用的材料为16Mn，泊松比μ为0.31，质量为1 530.3 kg，屈服极限为345 MPa，导柱部件的弹性模量E为2121—液压缸；2—顶锻箱；3—电机；4—主轴箱；5—钢爪夹具；6—机座；7—钢棒夹具；8—导柱GPa。因为导柱部件结构比较复杂、倒角比较多，所以用自由网格划分方法来处理导柱模型，网格生成后节点数量为42 960、单元总数为22 576。