一种优化机床几何建模模型的方法及相关产品

一种优化机床几何建模模型的方法及相关产品
1.本技术要求于2022年09月28日提交中华人民共和国国家知识产权局、申请号为202211190828.9、名称为“一种机床床身与地脚的协同优化设计方法及相关产品”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本技术中。
技术领域
2.本技术涉及机床结构优化设计技术领域，尤其涉及一种优化机床几何建模模型的方法及相关产品。


背景技术：

3.近年来，随着计算机辅助设计技术的发展，有限元计算以及拓扑优化等现代设计方法已经开始应用于机床的结构设计与优化中。而对于人们来说，如何利用现代设计方法对机床结构进行更好的设计与优化成为了关键。
4.为了满足机床高精度的加工要求，需要最大限度地提高床身结构的静动态特性，使其具有高刚度以及更好的抗振特性。同时地脚作为支撑机床的重要部件，其布局对于保持机床的稳定性和提高机床的加工效果具有重要意义。而传统的床身设计和地脚布局设计大多依据经验，通常是根据确定的地脚位置进行优化，但当前的地脚位置和数量并不一定是最合适的，不同的地脚选择优化出的结构必定是不同的。因此这种设计方法不但设计效率较低，而且已经不符合机床日益提高的设计要求。
5.因此，如何在提高机床加工效率的同时提高其加工效果，是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

6.基于上述问题，本技术提供了一种优化机床几何建模模型的方法及相关产品，通过优化需求选定拓扑优化数学模型并结合两个设计域以及对应的边界条件，实现机床的协同优化，提高机床的加工效率和加工效果。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种优化机床几何建模模型的方法，包括：
8.对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型；
9.进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域；
10.结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；
11.根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
12.可选的，所述结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根
据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件，包括：
13.将所述简化几何建模模型导入有限元软件；
14.将所述简化几何建模模型中的关键结构单元的材料参数输入有限元软件，得到所述机床的初始有限元模型；
15.所述关键结构单元包括：去除目标特征的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件；
16.根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置约束边界条件，其中所述机床的床身与地脚之间的约束边界条件不固定；
17.所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件。
18.可选的，所述根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
19.根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
20.可选的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
21.当优化需求为轻量化床身结构时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第一拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第一拓扑优化数学模型中，在所述第一拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
22.所述第一拓扑优化数学模型为：
23.find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
24.y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0025][0026]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0027][0028]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0029]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0030][0031][0032]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，为地脚体积设置上限；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0033]
可选的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0034]
当优化需求为提高床身结构静态刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第二拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第二拓扑优化数学模型中，在所述第二拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0035]
所述第二拓扑优化数学模型为：
[0036]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0037]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0038][0039]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0040][0041]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0042]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0043][0044][0045]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；cw为结构综合柔度，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总
体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0046]
可选的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0047]
当优化需求为提高结构静动态特性综合刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第三拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第三拓扑优化数学模型中，在所述第三拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0048]
所述第三拓扑优化数学模型为：
[0049]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0050]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0051][0052]
p＝1，2，
…
，r
[0053]
t＝1，2，
…
，z
[0054]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0055][0056]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0057]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0058][0059]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；s为结构柔度指数，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重；norm为标准化因子，θ
t
为结构第t阶模态工况所占权重，λ
t
为第t阶结构模态矩阵的特征值，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和z为取值上限。
[0060]
可选的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几
何建模模型，包括：
[0061]
当优化需求为提高结构动态特性时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第四拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第四拓扑优化数学模型中，在所述第四拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0062]
所述第四拓扑优化数学模型为：
[0063]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0064]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0065]
max f
l l＝1，2，
…
，q
[0066]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0067][0068]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0069]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0070][0071]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；f
l
是指结构第l阶固有频率；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0072]
可选的，所述进一步处理所述简化几何建模模型，包括：
[0073]
将所述机床的床身的内腔结构填充为实体结构，保留所述床身的实际外形尺寸，并将所述床身定义为第一设计域，根据地脚的尺寸在所述床身的底部拓展一圈凸台，并将所述凸台定义为第二设计域。
[0074]
可选的，所述优化机床几何建模模型的方法还包括：
[0075]
分别利用所述简化几何建模模型和所述优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，对应的得到第一关键参数组和第二关键参数组；
[0076]
当所述第二关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化；
[0077]
当所述第一关键参数组优于所述第二关键参数组时，调整所述拓扑优化数学模型重新对所述简化几何建模模型进行优化，得到二次优化几何建模模型；
[0078]
利用所述二次优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，得到第三关键参数组；
[0079]
当所述第三关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出所述二次优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化。
[0080]
第二方面，本技术提供了一种优化机床几何建模模型的装置，包括：
[0081]
简化处理模块，用于对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型；
[0082]
二次处理模块，用于进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域；
[0083]
建立模块，用于结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；
[0084]
拓扑优化模块，用于根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
[0085]
从以上技术方案可以看出，相较于现有技术，本技术具有以下优点：
[0086]
本技术先对机床的各个结构部件进行简化处理，得到机床的简化几何建模模型。然后进一步处理简化几何建模模型，其中进一步处理包括：根据机床的床身部分定义第一设计域，根据机床的地脚部分定义第二设计域。再结合简化几何建模模型建立机床的初始有限元模型，并根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件。初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接。最后根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将第一设计域和第二设计域代入拓扑优化数学模型中，在拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。如此，通过优化需求选定对应的拓扑优化数学模型并结合第一设计域、第二设计域以及对应的边界条件对机床的几何建模模型进行优化从而提高了优化效率以及优化准确性，另外由于机床床身和地脚相互制约共同优化，从而实现了机床的床身和地脚的协同优化，提高了机床的加工效率和加工效果。
附图说明
[0087]
图1为本技术实施例提供的一种优化机床几何建模模型的方法的流程图；
[0088]
图2为本技术实施例提供的一种优化机床几何建模模型的装置的结构示意图。
具体实施方式
[0089]
正如前文所述，现有的床身设计和地脚布局设计大多依据经验，通常是根据确定的地脚位置进行优化，但当前的地脚位置和数量并不一定是最合适的，不同的地脚选择优化出的结构必定是不同的。因此这种设计方法不但设计效率较低，而且已经不符合机床日益提高的设计要求。具体来说，机床床身在材料、制造工艺和内部筋板结构一定时，地脚的布局对其工作性能有着重要的影响，且床身内部筋板结构的布局也会影响地脚的布局，机床上的载荷最终也会通过筋板结构的走向传递到地脚上，而目前的设计方法仅仅是对床身单个部件进行优化，虽然这种优化方法能提高床身的静动态特性，但是缺乏科学合理的地脚布局优化方法，从而难以保证机床加工效率的同时保证其加工效果。
[0090]
为解决上述问题，本技术实施例提供了一种优化机床几何建模模型的方法，该方
法包括：先对机床的各个结构部件进行简化处理，得到机床的简化几何建模模型；然后进一步处理简化几何建模模型；进一步处理包括：根据机床的床身部分定义第一设计域，根据机床的地脚部分定义第二设计域；再结合简化几何建模模型建立机床的初始有限元模型，并根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件；初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；最后根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将第一设计域和第二设计域代入拓扑优化数学模型中，在拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。
[0091]
如此，通过优化需求选定对应的拓扑优化数学模型并结合第一设计域、第二设计域以及对应的边界条件对机床的几何建模模型进行优化从而提高了优化效率以及优化准确性，另外由于机床床身和地脚相互制约共同优化，从而实现了机床的床身和地脚的协同优化，提高了机床的加工效率和加工效果。
[0092]
为了使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0093]
图1为本技术实施例提供的一种优化机床几何建模模型的方法的流程图。结合图1所示，本技术实施例提供的一种优化机床几何建模模型的方法，可以包括：
[0094]
s101：对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型。
[0095]
在实际应用中，为了方便进行机床几何建模模型的优化，一般需要对机床各个结构部件进行简化，去除不必要的结构部件，从而使设计更加简便。普通的车床一般由床身、床头箱、变速箱、进给箱、光纤、丝杆、溜板箱、刀架、地脚和尾架等部分组成，其中每一部分又包含着许多细小的零件。因此，在本技术中需要将这些车床的组成部分进行简化，保留基本的结构模型，从而得到机床的简化几何建模模型。在一种情况下，可以先获取机床的三维结构模型，然后对三维结构模型进行拆分，保留去除螺栓孔、倒角、圆角以及凸台的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件，得到机床的简化几何建模模型。铣床或其他类型的机床设备同理。
[0096]
s102：进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域。
[0097]
在实际应用中，简化几何建模模型还需要进行进一步的处理才能进行优化处理。具体的，由于需要根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型然后将设计域代入进行计算从而实现对简化几何建模模型的优化，因此设计域的数量与选择尤为关键，其中进一步处理包括根据机床的床身部分定义第一设计域，根据机床的地脚部分定义第二设计域。
[0098]
另外，由于进一步处理简化几何建模模型的方法不尽相同，因此本技术可以就可能的处理方式进行说明。
[0099]
在一种情况下，针对如何进一步处理简化几何建模模型。相应的，所述进一步处理所述简化几何建模模型，具体包括：
[0100]
将所述机床的床身的内腔结构填充为实体结构，保留所述床身的实际外形尺寸，并将所述床身定义为第一设计域，根据地脚的尺寸在所述床身的底部拓展一圈凸台，并将
所述凸台定义为第二设计域。
[0101]
在实际应用中，对简化几何建模模型做进一步处理，将床身充满筋板的内腔结构填充为实体结构，只保留床身的实际外形尺寸，并根据支撑地脚的尺寸在床身的底部拓展一圈凸台，得到进一步处理后的简化几何建模模型；将床身定义为第一设计域，床身的底部拓展的一圈凸台定义为第二设计域，其它结构单元定义为非设计域。
[0102]
s103：结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接。
[0103]
在实际应用中，为完成机床几何建模模型的优化需要用到有限元软件，结合简化几何建模模型建立机床的初始有限元模型。边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件，其中机床的约束边界条件是对地脚或者床身底部拓展的一圈凸台进行弹簧单元支撑，其中弹簧单元各个方向的弹簧刚度则是根据机床整机模态分析实验得出，弹簧单元具体的刚度系数可以采用动力学测试的方式将地脚的动态刚度系数测试出来，并通过整机模态分析获得地脚刚度，以此来作为弹簧的刚度系数，另外机床的载荷边界条件则是根据工况设定的。由此，通过根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件，初始有限元模型中的各个结构部件，即设计域和非设计域均以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接。如此，如果直接把凸台底面全部固定，相对实际情况势必会造成支撑过于强化，而采用加弹簧单元的方式对床身支撑进行弱化，把凸台底面的所有节点都施加弹簧单元，优化过程中如果设计域部分材料消失，则该部分弹簧单元不再发挥作用，如果材料保留则弹簧单元继续发挥支撑作用。这样便可使边界条件可以在优化过程中不随地脚分布变化而实时变化。
[0104]
另外，由于建立初始有限元模型以及设置边界条件的方式不尽相同，因此本技术可以就可能的处理方式进行说明。
[0105]
在一种情况下，针对如何建立初始有限元模型以及设置边界条件。相应的，所述结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件，具体包括：
[0106]
将所述简化几何建模模型导入有限元软件；
[0107]
将所述简化几何建模模型中的关键结构单元的材料参数输入有限元软件，得到所述机床的初始有限元模型；
[0108]
所述关键结构单元包括：去除目标特征的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件；
[0109]
根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置约束边界条件，其中所述机床的床身与地脚之间的约束边界条件不固定；
[0110]
所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件。
[0111]
在实际应用中，首先获取机床的三维结构模型并对三维结构模型进行拆分，保留关键结构单元，得到机床的简化几何建模模型，具体的关键结构单元包括：去除目标特征的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件。除此之外，根据其他的设计需求还可以选择保留刀架等结构单元。需要注意的是，简化处理还包括对单个结构单元进行简化。例如，去除床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件中的螺栓孔、倒角、圆角以及凸台等微
小特征。然后将简化几何建模模型直接导入有限元软件中，利用有限元软件将简化几何建模模型转换为初始有限元模型。需要注意的是，有限元模型可以对各个结构单元赋予材料参数，通过调整材料参数来达到设计需求。其中材料参数包括但不限于密度、弹性模量和泊松比。另外，技术人员能够根据优化需求为机床的各个结构部件设置约束边界条件，在本技术中床身和地脚作为设计变量，代表着每次迭代，地脚位置的变化需要改变相应的边界条件，即机床的床身与地脚之间的约束边界条件不能固定下来。约束边界条件可以解释为：在结构分析中用于限定结构体刚体运动自由度的约束条件。具体的，对于任何一个结构单元而言有任意种约束边界条件的施加方式。举例来说，真实状态下，机床放在地面上，给机床水平方向一个推力，机床结构会沿着水平方向出现变形，但是机床床身仍然安稳的放在地上，没有被推跑。我们这里不去论证具体是什么原因导致机床没有被推跑，仅需知道实际情况下我们施加作用力做功，转化成了机床的变形能而不是动能。但是在有限元分析软件中，它默认机床是在空中悬浮的，需要在三维空间中告诉它哪些部位的x轴、y轴和z轴向的自由度需要被限制，这样机床的结构单元在空间中的位置就被唯一确定下来了。
[0112]
s104：根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
[0113]
在实际应用中，对于利用拓扑优化数学模型对机床的简化几何建模模型进行优化，首先需要确定优化目标。例如，适用于床身结构轻量化的设计目标、适用于提高床身结构静态刚度的设计目标、适用于提高结构动态特性的设计目标以及适用于提高结构静动态特性综合刚度的设计目标等。根据不同的优化需求选择对应的拓扑优化数学模型，然后将第一设计域和第二设计域代入选定的拓扑优化数学模型中，结合技术人员设定的边界条件对机床的床身和地脚进行协同优化，并根据优化后的构型、材料及加强筋布局、地脚布局等重新绘制成零件，并得到机床的优化几何建模模型。
[0114]
另外，由于得到优化几何建模模型的方法不尽相同，因此本技术可以就可能的优化方法进行说明。
[0115]
在一种情况下，针对如何对机床的简化几何建模模型进行优化，得到优化几何建模模型。相应的，s104：根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，具体包括：
[0116]
根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
[0117]
在实际应用中，可以为不同的优化需求建立不同的拓扑优化数学模型。具体的，本技术建立了四种拓扑优化数学模型，包括第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型，这四种拓扑优化数学模型分别对应了四种不同的优化需求，其中第一拓扑优化数学模型对应轻量化床身结构的优化需求，第二
拓扑优化数学模型对应提高床身结构静态刚度的优化需求，第三拓扑优化数学模型对应提高结构静动态特性综合刚度的优化需求，第四拓扑优化数学模型对应提高结构动态特性。当获取了用户输入的优化需求后，根据优化需求自动从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型，然后将第一设计域和第二设计域代入拓扑优化数学模型中并结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。
[0118]
另外，由于不同优化需求对应的拓扑优化数学模型不尽相同，因此本技术可以就可能的扑优化数学模型进行说明。
[0119]
在一种情况下，针对如何选择对应的拓扑优化数学模型。相应的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0120]
当优化需求为轻量化床身结构时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第一拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第一拓扑优化数学模型中，在所述第一拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0121]
所述第一拓扑优化数学模型为：
[0122]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0123]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0124][0125]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0126][0127]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0128]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0129][0130][0131]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，为地脚体积设置上限；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上
限。
[0132]
在实际应用中，针对不同的优化需求可以选择对应的预先设立的拓扑优化数学模型。具体的，第一拓扑优化数学模型适用于床身结构轻量化的设计目标，即以床身体积最小化为优化目标，约束地脚体积、结构关键位移、结构关键固有频率，其中约束上下限值、取值上限以及设置上限等都可理解为对应设置的边界条件。
[0133]
在一种情况下，针对如何选择对应的拓扑优化数学模型。相应的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0134]
当优化需求为提高床身结构静态刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第二拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第二拓扑优化数学模型中，在所述第二拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0135]
所述第二拓扑优化数学模型为：
[0136]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0137]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0138][0139]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0140][0141]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0142]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0143][0144][0145]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；cw为结构综合柔度，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0146]
在实际应用中，针对不同的优化需求可以选择对应的预先设立的拓扑优化数学模型。具体的，第二拓扑优化数学模型适用于提高床身结构静态刚度的设计目标，即以结构综合柔度最小化为优化目标，约束床身体积、地脚体积、结构关键位移、结构关键固有频率，其中体积要求上限、约束上下限值以及取值上限等都可理解为对应设置的边界条件，另外cw为结构综合柔度，加权结构各个静态工况的柔度，工况中不包含结构模态分析。
[0147]
在一种情况下，针对如何选择对应的拓扑优化数学模型。相应的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0148]
当优化需求为提高结构静动态特性综合刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第三拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第三拓扑优化数学模型中，在所述第三拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0149]
所述第三拓扑优化数学模型为：
[0150]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0151]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0152][0153]
p＝1，2，
…
，r
[0154]
t＝1，2，
…
，z
[0155]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0156][0157]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0158]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0159][0160]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；s为结构柔度指数，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重；norm为标准化因子，θ
t
为结构第t阶模态工况所占权重，λ
t
为第t阶结构模态矩阵的特征值，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和z为取值上限。
[0161]
在实际应用中，针对不同的优化需求可以选择对应的预先设立的拓扑优化数学模型。具体的，第三拓扑优化数学模型适用于提高结构静动态特性综合刚度的设计目标，即以结构柔度指数最小化为优化目标，约束床身体积、地脚体积、结构关键位移，其中体积要求上限、约束上限值以及取值上限等都可理解为对应设置的边界条件，另外s为结构柔度指数，代表结构统筹各个工况的综合柔度，且工况中包含结构模态分析。
[0162]
在一种情况下，针对如何选择对应的拓扑优化数学模型。相应的，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：
[0163]
当优化需求为提高结构动态特性时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第四拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第四拓扑优化数学模型中，在所述第四拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0164]
所述第四拓扑优化数学模型为：
[0165]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0166]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0167]
max f
l l＝1，2，
…
，q
[0168]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0169][0170]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0171]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0172][0173]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；f
l
是指结构第l阶固有频率；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0174]
在实际应用中，针对不同的优化需求可以选择对应的预先设立的拓扑优化数学模型。具体的，第四拓扑优化数学模型适用于提高结构动态特性的设计目标，即以结构关键固有频率最大化为优化目标，约束床身体积、地脚体积、结构关键位移，其中体积要求上限、约束上限值以及取值上限等都可理解为对应设置的边界条件。
[0175]
另外，由于首次优化不一定符合预期目标，因此本技术可能的优化方式进行说明。
[0176]
在一种情况下，针对如何对不符合预期目标的优化结果进行二次优化。相应的，所述优化机床几何建模模型的方法还包括：
[0177]
分别利用所述简化几何建模模型和所述优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，对应的得到第一关键参数组和第二关键参数组；
[0178]
当所述第二关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化；
[0179]
当所述第一关键参数组优于所述第二关键参数组时，调整所述拓扑优化数学模型重新对所述简化几何建模模型进行优化，得到二次优化几何建模模型；
[0180]
利用所述二次优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，得到第三关键参数组；
[0181]
当所述第三关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出所述二次优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化。
[0182]
在实际应用中，如何知晓优化结果是否符合预期目标可以通过以下方法判断。具体的，将简化几何建模模型和优化后的优化几何建模模型导入有限元软件分别对应得到初始有限元模型和第一优化有限元模型，然后对初始有限元模型和第一优化有限元模型进行多工况动静力学分析，分别得到对应的第一关键参数组和第二关键参数组，最后通过比较参数组确定优化结果是否符合优化需求。其中多工况动静力学分析包括整机结构模态分析、用于模拟机床动态切削过程的谐响应分析或频响分析中的一项或多项以及机床的各个结构部件处于不同位置和姿态时机床的形变分析、机床的各个结构部件处于加减速状态下机床的形变分析以及机床受到不同方向的切削力时机床的形变分析中的一项或多项。关键参数组包括固有频率、振型以及关键位移幅值中的一项或多项以及变形量、重心位移量、主轴端面的位移量、质量以及体积中的一项或多项。若比较结果为第二关键参数组的数值整体优于第一关键参数组的数值时，则输出第一优化有限元模型对应的优化几何建模模型，代表优化成功，实现了机床的床身和地脚的协同优化以及机床的几何建模模型的优化。若比较结果为第一关键参数组的数值整体优于第二关键参数组的数值时，则要重新调整选定的拓扑优化数学模型重新对简化几何建模模型进行优化，得到二次优化几何建模模型，然后按照上述提供的方法继续比较简化几何建模模型和二次优化几何建模模型分别对应的第一关键参数组和第三关键参数组，当第三关键参数组的数值整体优于第一关键参数组的数值时则输出二次优化几何建模模型，代表优化成功，实现了机床的床身和地脚的协同优化以及机床的几何建模模型的优化。
[0183]
综上所述，本技术先对机床的各个结构部件进行简化处理，得到机床的简化几何建模模型。然后进一步处理简化几何建模模型，其中进一步处理包括：根据机床的床身部分定义第一设计域，根据机床的地脚部分定义第二设计域。再结合简化几何建模模型建立机床的初始有限元模型，并根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件。初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接。最后根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将第一设计域和第二设计域代入拓扑优化数学模型中，在拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。如此，通过优化需求选定对应的拓扑优化数学模型并结合第一设计域、第二设计域以及对应的边界条件对机床的几何建模模型进行优化从而提高了优化效率以及优化准确性，另外由于机床床身和地脚相互制约共同优化，从而实现了机床的床身和地脚的协同优化，提高了机床的加工效率和加工效果。
[0184]
基于上述实施例提供的一种优化机床几何建模模型的方法，本技术还提供了一种优化机床几何建模模型的装置。下面分别结合实施例和附图，对该优化机床几何建模模型的装置进行描述。
[0185]
图2为本技术实施例提供的一种优化机床几何建模模型的装置的结构示意图。结
合图2所示，本技术实施例提供的优化机床几何建模模型的装置200，可以包括：
[0186]
简化处理模块201，用于对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型；
[0187]
二次处理模块202，用于进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域；
[0188]
建立模块203，用于结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；
[0189]
拓扑优化模块204，用于根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
[0190]
作为一种实施方式，针对如何进一步处理所述简化几何建模模型，上述二次处理模块202具体用于：
[0191]
将所述机床的床身的内腔结构填充为实体结构，保留所述床身的实际外形尺寸，并将所述床身定义为第一设计域，根据地脚的尺寸在所述床身的底部拓展一圈凸台，并将所述凸台定义为第二设计域。
[0192]
作为一种实施方式，针对如何建立初始有限元模型并设置对应的边界条件，上述建立模块203具体用于：
[0193]
将所述简化几何建模模型导入有限元软件；
[0194]
将所述简化几何建模模型中的关键结构单元的材料参数输入有限元软件，得到所述机床的初始有限元模型；
[0195]
所述关键结构单元包括：去除目标特征的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件：
[0196]
根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置约束边界条件，其中所述机床的床身与地脚之间的约束边界条件不固定；
[0197]
所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件。
[0198]
作为一种实施方式，针对如何优化机床几何建模模型，上述拓扑优化模块204具体用于：
[0199]
根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。
[0200]
作为一种实施方式，针对如何根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型，上述优化机床几何建模模型的装置200包括：第一子拓扑优化模块；所述第一子拓扑优化模块具体用于：
[0201]
当优化需求为轻量化床身结构时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第一拓扑优化数学模
型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第一拓扑优化数学模型中，在所述第一拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0202]
所述第一拓扑优化数学模型为：
[0203]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0204]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0205][0206]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0207][0208]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0209]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0210][0211][0212]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域q2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，为地脚体积设置上限；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0213]
作为一种实施方式，针对如何根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型，上述优化机床几何建模模型的装置200包括：第二子拓扑优化模块；所述第二子拓扑优化模块具体用于：
[0214]
当优化需求为提高床身结构静态刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第二拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第二拓扑优化数学模型中，在所述第二拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0215]
所述第二拓扑优化数学模型为：
[0216]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0217]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0218][0219]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0220][0221]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0222]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0223][0224][0225]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；cw为结构综合柔度，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0226]
作为一种实施方式，针对如何根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型，上述优化机床几何建模模型的装置200包括：第三子拓扑优化模块；所述第三子拓扑优化模块具体用于：
[0227]
当优化需求为提高结构静动态特性综合刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第三拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第三拓扑优化数学模型中，在所述第三拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0228]
所述第三拓扑优化数学模型为：
[0229]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0230]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0231][0232]
p＝1，2，
…
，r
[0233]
t＝1，2，
…
，z
[0234]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0235][0236]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0237]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0238][0239]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计
域中第j个单元的伪密度值；s为结构柔度指数，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重；norm为标准化因子，θ
t
为结构第t阶模态工况所占权重，λ
t
为第t阶结构模态矩阵的特征值，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和z为取值上限。
[0240]
作为一种实施方式，针对如何根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型，上述优化机床几何建模模型的装置200包括：第四子拓扑优化模块；所述第四子拓扑优化模块具体用于：
[0241]
当优化需求为提高结构动态特性时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第四拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第四拓扑优化数学模型中，在所述第四拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
[0242]
所述第四拓扑优化数学模型为：
[0243]
find x＝{xi}∈ω
1 i＝1，2，
…
，n
[0244]
y＝{yj}∈ω
2 j＝1，2，
…
，m
[0245]
max f
l l＝1，2，
…
，q
[0246]
s.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
[0247][0248]
0＜xi≤1 i＝1，2，
…
，n
[0249]
0＜yj≤1 j＝1，2，
…
，m
[0250][0251]
其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，xi代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，yj代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；f
l
是指结构第l阶固有频率；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；vi，vj分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和q为取值上限。
[0252]
综上所述，本技术先对机床的各个结构部件进行简化处理，得到机床的简化几何建模模型。然后进一步处理简化几何建模模型，其中进一步处理包括：根据机床的床身部分定义第一设计域，根据机床的地脚部分定义第二设计域。再结合简化几何建模模型建立机床的初始有限元模型，并根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件。初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接。最后根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将第一设计域和第二设计域代入拓扑
优化数学模型中，在拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。如此，通过优化需求选定对应的拓扑优化数学模型并结合第一设计域、第二设计域以及对应的边界条件对机床的几何建模模型进行优化从而提高了优化效率以及优化准确性，另外由于机床床身和地脚相互制约共同优化，从而实现了机床的床身和地脚的协同优化，提高了机床的加工效率和加工效果。
[0253]
另外，本技术还提供了一种优化机床几何建模模型的设备，包括：
[0254]
存储器，用于存储计算机程序；
[0255]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述优化机床几何建模模型的方法的步骤。
[0256]
另外，本技术还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述优化机床几何建模模型的方法的步骤。
[0257]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种优化机床几何建模模型的方法，其特征在于，所述方法包括：对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型；进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域；结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件，包括：将所述简化几何建模模型导入有限元软件；将所述简化几何建模模型中的关键结构单元的材料参数输入有限元软件，得到所述机床的初始有限元模型；所述关键结构单元包括：去除目标特征的床身、地脚、立柱、横梁、导轨滑块以及运动部件；根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置约束边界条件，其中所述机床的床身与地脚之间的约束边界条件不固定；所述边界条件包括约束边界条件和载荷边界条件。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：当优化需求为轻量化床身结构时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第一拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第一拓扑优化数学模型中，在所述第一拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；
所述第一拓扑优化数学模型为：find x＝{x
i
}∈ω
1 i＝1，2，
…
，ny＝{y
j
}∈ω
2 j＝1，2，
…
，mmins.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r0＜x
i
≤1 i＝1，2，
…
，n0＜y
j
≤1 j＝1，2，
…
，m，m其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，x
i
代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，y
j
代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；v
i
，v
j
分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，为地脚体积设置上限；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；d
k
指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：当优化需求为提高床身结构静态刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第二拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第二拓扑优化数学模型中，在所述第二拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；所述第二拓扑优化数学模型为：find x＝{x
i
}∈ω
1 i＝1，2，
…
，ny＝{y
j
}∈ω
2 j＝1，2，
…
，mmins.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r
0＜x
i
≤1 i＝1，2，
…
，n0＜y
j
≤1 j＝1，2，
…
，m，m其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，x
i
代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，y
j
代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；c
w
为结构综合柔度，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；v
i
，v
j
分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积；v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；dk指的是第k个关键参考点的位移，f
l
是指结构第l阶固有频率，和分别代表相应的约束上下限值，n、m、r、s和q为取值上限。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：当优化需求为提高结构静动态特性综合刚度时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第三拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第三拓扑优化数学模型中，在所述第三拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；所述第三拓扑优化数学模型为：find x＝{x
i
}∈ω
1 i＝1，2，
…
，ny＝{y
j
}∈ω
2 j＝1，2，
…
，mminp＝1，2，
…
，rt＝1，2，
…
，zs.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r0＜x
i
≤1 i＝1，2，
…
，n0＜y
j
≤1 j＝1，2，
…
，m其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，x
i
代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，y
j
代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；s为结构柔度指数，k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相
应的位移向量，为位移向量，其中k
p
为第p个静态工况所占权重；norm为标准化因子，θ
t
为结构第t阶模态工况所占权重，λ
t
为第t阶结构模态矩阵的特征值，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；v
i
，v
j
分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；d
k
指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和z为取值上限。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据优化需求从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择一个拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型，包括：当优化需求为提高结构动态特性时，从第一拓扑优化数学模型、第二拓扑优化数学模型、第三拓扑优化数学模型以及第四拓扑优化数学模型中选择所述第四拓扑优化数学模型，并将所述第一设计域以及所述第二设计域代入所述第四拓扑优化数学模型中，在所述第四拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型；所述第四拓扑优化数学模型为：find x＝{x
i
}∈ω
1 i＝1，2，
…
，ny＝{y
j
}∈ω
2 j＝1，2，
…
，mmax f
l l＝1，2，
…
，qs.t.ku
p
＝f
p p＝1，2，
…
，r0＜x
i
≤1 i＝1，2，
…
，n0＜y
j
≤1 j＝1，2，
…
，m其中x为所述第一设计域ω1内各结构单元的伪密度，y为所述第二设计域ω2内各结构单元的伪密度，x
i
代表所述第一设计域中第i个单元的伪密度值，y
j
代表所述第二设计域中第j个单元的伪密度值；f
l
是指结构第l阶固有频率；k为整体结构的总刚度矩阵，u
p
为第p个工况下相应的位移向量，f
p
为第p个工况下相应的载荷向量；v
i
，v
j
分别代表两个设计域中相应单元的体积，v1为床身总体积，v2为地脚总体积，分别是床身和地脚的体积要求上限；d
k
指的是第k个关键参考点的位移，代表相应的约束上限值，n、m、r、s和q为取值上限。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进一步处理所述简化几何建模模型，包括：将所述机床的床身的内腔结构填充为实体结构，保留所述床身的实际外形尺寸，并将所述床身定义为第一设计域，根据地脚的尺寸在所述床身的底部拓展一圈凸台，并将所述凸台定义为第二设计域。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别利用所述简化几何建模模型和所述优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，对应的得到第一关键参数组和第二关键参数组；当所述第二关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化；当所述第一关键参数组优于所述第二关键参数组时，调整所述拓扑优化数学模型重新对所述简化几何建模模型进行优化，得到二次优化几何建模模型；利用所述二次优化几何建模模型对所述机床进行多工况动静力学分析，得到第三关键参数组；当所述第三关键参数组优于所述第一关键参数组时，输出所述二次优化几何建模模型，实现所述机床的几何建模模型的优化。10.一种优化机床几何建模模型的装置，其特征在于，包括：简化处理模块，用于对机床的各个结构部件进行简化处理，得到所述机床的简化几何建模模型；二次处理模块，用于进一步处理所述简化几何建模模型；所述进一步处理包括：根据所述机床的床身部分定义第一设计域，根据所述机床的地脚部分定义第二设计域；建立模块，用于结合所述简化几何建模模型建立所述机床的初始有限元模型，并根据优化需求为所述机床的各个结构部件设置对应的边界条件；所述初始有限元模型中的各个结构部件以网格单元的形式离散化，网格单元之间采用共节点连接；拓扑优化模块，用于根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将所述第一设计域和所述第二设计域代入所述拓扑优化数学模型中，在所述拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对所述床身和所述地脚进行协同优化，得到所述机床的优化几何建模模型。

技术总结
本申请公开了一种优化机床几何建模模型的方法及相关产品，可应用于机床结构优化设计技术领域。该方法包括：对机床进行简化处理，得到机床的简化几何建模模型；进一步处理简化几何建模模型；建立机床的初始有限元模型，并根据优化需求为机床的各个结构部件设置对应的边界条件；根据优化需求选择对应的拓扑优化数学模型并将第一设计域和第二设计域代入拓扑优化数学模型中，在拓扑优化数学模型的基础上结合对应的边界条件对床身和地脚进行协同优化，得到机床的优化几何建模模型。如此，通过优化需求选定拓扑优化数学模型并结合两个设计域以及对应边界条件，实现机床的协同优化，提高机床的加工效率和加工效果。高机床的加工效率和加工效果。高机床的加工效率和加工效果。


技术研发人员：王冰旭 高彤 张卫红 蔚飞
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/9