伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
本文以銑車復(fù)合加工中心立柱為研究對(duì)象，從結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計(jì)原理出發(fā)，以提取空莖植物的構(gòu)型特性為依據(jù)，以立柱工作載荷計(jì)算結(jié)果為條件，并以加工中心立柱達(dá)到高比剛度效能為目的，對(duì)銑車復(fù)合加工中心立柱的內(nèi)部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力和模態(tài)仿真分析，為加工中心支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。
1立柱結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)
動(dòng)物的骨骼、植物的枝條根莖等“生物支架”，充分體現(xiàn)了自然進(jìn)化的結(jié)構(gòu)，以少的材料承受大的載荷，從而獲得結(jié)構(gòu)效能大值m?？涨o植物具有的力學(xué)性能,其結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：硬質(zhì)材料集中在外面，中間為松軟狀物質(zhì)，同時(shí)表層組織的彈性模量大于沿縱向周向而又遠(yuǎn)大于內(nèi)部組織，而彈性模量對(duì)于結(jié)構(gòu)的高比剛度效能起到關(guān)鍵性作用。
在結(jié)構(gòu)方面，立柱與中空植物莖桿十分相似，都存在連續(xù)和離散結(jié)構(gòu)的布局；在功能方面，除去生物機(jī)理外，立柱與莖桿都是在整個(gè)生物體中作為支承件，承受其他部件和載荷引起的壓力和彎矩，相似于植物葉片對(duì)葉柄施加壓力和彎矩，因此，生物體的輕質(zhì)空心結(jié)構(gòu)是高比剛度效能設(shè)計(jì)的原型[1] ,從生物結(jié)構(gòu)仿生思想出發(fā),在分析植物莖桿結(jié)構(gòu)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以不改變銑車復(fù)合加工中心立柱現(xiàn)有整體功能結(jié)構(gòu)為前提，根據(jù)葉柄截面的生物組織形式，對(duì)立柱隔板筋板進(jìn)行仿生演進(jìn)設(shè)計(jì)。
1.1仿生設(shè)計(jì)過程
結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)主要分為以下3個(gè)步驟：
(1) 生物結(jié)構(gòu)原則分析。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的功能要求，進(jìn)行相似性分析，總結(jié)相對(duì)應(yīng)生物體構(gòu)型原則。
(2) 仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用。將所述生物體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型原則應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
(3) 優(yōu)化模型確定。將仿生型與原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,確定仿生型結(jié)構(gòu)并總結(jié)規(guī)律。
1.2生物體構(gòu)型分析以及應(yīng)用
(1) 主受壓區(qū)域：因?yàn)槿~柄在主受壓區(qū)域增加材料密度和尺寸，所以在立柱的主受壓區(qū)，以提高抗彎性能為目的，抵抗導(dǎo)軌受力引起的彎曲變形，適當(dāng)增加向心狀仿生隔板，提高抗彎性能。
(2) 主受拉區(qū)域:立柱左右外側(cè)面受拉明顯，結(jié)合鑄造工藝和結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)型比擬的基本原則，側(cè)面筋板采用輻射狀“太陽筋”改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以有效提高整體剛度。結(jié)合芭蕉葉柄內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)立柱內(nèi)部做仿生設(shè)計(jì),確定在墻體式封閉型對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)的立柱內(nèi)部增加放射狀封閉截面隔板，后在結(jié)合立柱工作載荷分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)高比剛度及輕量化要求出發(fā),立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖1和圖2所示。