第1期 2017年1月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)01=013803
D0I:10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.038
铣车复合加工中心立柱高比刚度
效能仿生设计研究谢黎明"，b，杨忠泮b，新岚,b，宋博b
No.1 Jan.2017
（兰州理工大学a.数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室：b.机电工程学院，兰州 730050)
摘要：针对某型铣车复合加工中心立柱的轻量化问题，文章基于仿生设计原理和方法，在分析铣车复合加工中心立柱工作载荷的基础上，从空茎植物的力学与构型特性出发，以高比刚度结构效能为目的，对立柱内部结构进行仿生设计。通过对仿生型立柱进行静力和模态仿真分析，其结果表明，仿生
型立柱的质量减轻，比刚度结构效能得到较大提高，其静动力学性能也有显著改善。关键词：铣车复合加工中心：立柱；比刚度结构效能；仿生设计
中图分类号：TH114；TG659
文献标识码：A
High SME Bionics Structure Design of Vertical Column Based on Milling -turning CNC
XIE Li-ming", YANG Zhong-pan" ,JIN Lan", SONG Bo
( a. Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, The Ministry of Education;b. School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology , Lanzhou 730050, China)
Abstract : Aimed at the lightweight request of Mill-turning CNC column, based on the theory of biological structure design and the stress and structure features of the ideal modal of the hollow-stem plant' s, and com-bined with the structure and functional requirements of Mill-turning CNC column, this article presents a bionic design of the interior structure of a column to achieve higher SME( Specific stiffness structural effi-ciency ) after the analysis of the working load of Mill-turning CNC column, while its existing overall func-tional structures are maintained. According to the static and modal simulation analysis of the bionic column and the finite element analysis (FEA), compared with the prototype column, the weight of the bionic col-umn is reduced,the SME is increased markedly , the first order frequency is increased and the dynamic and static characteristics are also improved
Key words : mill-turning CNC;column; SME; biological structure design
0引言
本文以铣车复合加工中心立柱为研究对象，从结
构仿生的设计原理出发，以提取空茎植物的构型特性为依据，以立柱工作载荷计算结果为条件，并以机床立柱达到高比刚度效能为的，对铣车复合加工中心立柱的内部进行了结构仿生设计，并对优化后立柱结构进行静力和模态仿真分析，为机床支承件结构设计提供了新的思路。
1立柱结构仿生设计
动物的骨骼、植物的枝条根茎等“生物支架”，充分体现了自然进化的最优结构，以最少的材料承受最大的载荷，从而获得结构效能最大值1-2)。空茎植物具有最优的力学性能，其结构特征主要表现为：硬质材料
收稿日期：2016-03-09
集中在外面，中间为松软状物质，同时表层组织的弹性模量大于清纵向周向而文远大于内部组织，而弹性模量对于结构的高比刚度效能起到关键性作用。
在结构方面，立柱与中空植物茎杆十分相似，都存在连续和离散结构的布局；在功能方面，除去生物机理外，立柱与茎杆都是在整个生物体申作为支承件，承受其他部件和载荷号引起的压力和弯矩，相似于植物叶片对叶柄施加压力和弯矩。因此，生物体的轻质空心结构是高比刚度效能设计的首选原型3]。从生物结构仿生思想出发，在分析植物茎杆结构规律的基础上，以不改变铣车复合加工中心立柱现有整体功能结构为前提，根据叶柄截面的生物组织形式，对立柱隔板筋板进行仿生演进设计。
*基金项目：“高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项（2010ZX04001-032）
方发数据通况作者:杨患律(1960-),男,兰州大、兰州量上关截主群显生群究方间为先进量整接染床会)282H 作者简介：谢黎明(1962一），男，回族，安徽黄山人，兰州理工大学教授，硕士，研究方向为先进制造技术及高速数控机床等，（E-mail)yzp90911@
菱