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1 0 8 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 5年 8月( 上) 第 2 9卷第 8 期 纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研究综述 王 明旭 ， 晏丽 ( 河南工业大学机电工程学院， 郑州 4 5 0 0 0 7 ) 摘要 提出了从改善结构设计， 采用新材料的角度出发解决困扰我国数控机床加工精度的难题。在对纤维增 强树 脂混凝 土作 为机床基础件的 国内外研 究现状分析的基础 上， 提 出基 于拓 扑优化 的方法 、 结合数控机床 工作 的环 境条件， 并考虑材料 自身力学本构关系来对纤维增强树脂混凝土机床基础件进行优化设计。最后给出了具体解决策 略 和 思路 。 关键词 纤维增强树脂混凝土拓扑优化 中图分类号 ： THI 4 文献标识码 ： A 数控机床基础件热动力学 D O I ： 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 5 0 1 5 0 2 0 Re v i e w o f S t r u c t u r e The r mo d y n a mi c s To p o l o g i c a l Op t i mi z i ng M e t h o d f o r Fi b e r Re i nf o r c e d Re s i n Co nc r e t e M a t e r i a l Ba s e d Ba s i c Pa r t s o f CNC M a c hi n e To o l s W ANG M i n gx u，YAN Li ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，He n a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ) Ab s t r a c t A n e w r e s e a r c h i d e a i s p r o p o s e d t o s o l v e t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y o f CNC ma c h i n e t o o l ，wh i c h a r e u s i n g n e w ma t e r i a l o f a s t h e b a s i c p a r t o f t h e ma c h i n e b o d y a n d i mp r o v e me n t o f s t r u c t u r e d e s i g n Th e d o me s t i c a n d f o - r e i g n r e s e a r c h o f t h e f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o n c r e t e p r e s e n t s i t u a t i o n i s c a r r i e d o n t h e a n a l y s i s Th i s me t h o d o f u s i n g t o p o l o g y o p t i mi z a t i o n a n d c o mb i n i n g wo r k i n g e n v i r o n me n t c o n d i t i o n s o f ma c h i n e i s p r o p o s e d Th e me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p o f f i b e r r e i n f o r c e d r e s i n c o n c r e t e i S c o n s i d e r e d t o o p t i mi z e t h e s t r u c t u r e o f ma c h i n e ，t h e s e s p e c i f i c s o l u t i o n s a n d i d e a s a r e g i v e n Ke y wo r d s f i b e r r e i n f o r c e d p o l y me r c o n c r e t e ，t o p o l o g y o p t imi z a t i o n，b a s i c p a r t s o f t h e CNC ma c h i n e ，t h e r mo d y n a mi c s 0 引言 数控机床是装备制造业的“ 工作母机” ， 是振兴制造产业 的关键设备。一个 国家数控机床的产量和技术水平在很大 程度上代表了这个国家制造业技术水平和竞争力。因此， 快 速发展数控机床( 特别是高档数控机床) 对国家的产业安全 、 经济安全和国防安全都具有极其重要的意义， 与工信部提 出 的“ 工业强基工程” 相吻合 ， 与实现中国迈 向工业强 国的 中 国制造 2 0 2 5 相适应。 数控机床作为一类复杂的机电一体化高科技产 品， 随着 用户对机械零件表面质量和加工精度要求的提高 ， 用户对数 控机床的加工精度和加工效率提 出了更高的要求 。机床在 切削金属时 ， 机床 自身受到大的复杂多变的载荷和温度场影 响， 往往会引起机床振动 ， 进而影响加工质量， 使得机床性能 不能充分发挥 ， 降低机床使用寿命。振动严重时还会产生崩 刃、 打刀现象， 使得加工无法进行 。此外 ， 加工 中， 工艺系统 在各种热源( 摩擦热、 切削热、 环境温度和辐射热等) 的作用 下 ， 产生温度场， 致使机床、 刀具 、 夹具产生热变形 ， 从而影响 工件和刀具之间的相对位移， 造成加工误差， 影响加工精度 。 有调查表明L 1 ： 在精密加工 中， 仅热变形影响的制造误差 占 总制造误差的 4 O 7 O 。例如某万能磨床的床身， 在工作 台和砂轮架重力作用下 ， 引起床身导轨凸凹为 4 5 ff m， 而当 磨床运转后 ， 由于床身下部油池温度的升 高， 床身热变形所 引起 的床身导轨凸凹却高达 2 5 3 0 m。日本东京大学佐田 登志夫教授把机床热变形看作是 由于温度变化引起的机床 结构刚度不足， 提出了“ 热刚度” 概念 ， 将机床的静刚度 、 动刚 度、 热刚度有机结合在一起进行研究。为此， 必须在不断提 高机床 自动化程度的同时， 尽可能改善机床的静态性能、 动 态性能和热稳定性。笔者认为解决上述问题的途径主要有 ： 一 是优化机床结构， 二是使用新型材料 。 机床结构优化方面： 近年来随着计算机技术和有限元的 迅速发展 ， 研究者在机床结构的优化设计取得了丰硕成果。 如通过试验与理论分析， 找 出了机床 的薄弱环节 、 针对机床 的薄弱环节进行结构优化 ， 使得机 床结构 的动、 静态力学性 能得到提高。另外， 结构优化中的尺寸优化、 形状优化、 拓扑 优化技术已经在机床结构优化设计方面发挥着重要作用 。 *国家重大科技专项 ( 2 0 1 2 Z X 0 4 0 1 0 0 9 1 ) ； 河 南省教 育厅 自然基金项 目( 1 2 1 3 4 6 0 0 0 2 ) ； 河南工业大 学高层次人才基金项 目 ( 2 O1 1 BS 0 2 1 ) 王明旭： 男， 1 9 8 0年生， 博士， 主要从事结构动力学优化， 结构疲劳失效分析等方面的研究E - ma i l ： wmx 2 0 0 3 2 0 0 2 1 6 3 c o rn 纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓4 1- 4 g* 0 1- 究综述 王明旭等 1 0 9 研究者在机床结构设计和控制系统研究 的同时 ， 发现传统的 机床基础件铸铁材料虽然具有 良好 的刚度、 强度和切削性 能， 但其动态性能不足， 热稳定性差 ， 而且在生产过程存在周 期长 、 耗能大的缺点， 已经不能很好满 足用户控制加工成本 或特殊加工的需要。为此 ， 研究者开始致力于机床基础件新 型复合材料的研发 ， 并先后尝试了天然花 岗岩、 普通混凝土 、 钢筋混凝土、 聚合物混凝土和纤维增强树脂混凝土制造机床 基础件。 作为结构材料 ， 聚合物混凝土铸件在机床行业被广泛接 受已经 3 0多年了。据统计， 在 欧洲 ， 每 1 O台机床就有一 台 使用矿物铸件做床身。如瑞士、 法 国、 日本德国等已成功用 树脂混凝土制造机床床身、 立柱 、 主轴等构件 ， 其中法 国树脂 混凝土机床构件 已产业化 ， 形成系列产 品， 并制定了国家标 准( D I N) ， 但是它在国内机床制造业 中的应用推广却很慢。 目前国内对新型材料做机床床身进行的研究多倾向于提高 机床性能， 以高成本为代价来获得高精度机床 ， 而以降低机 床成本和环境保护为主要 目的研究较少 ， 特别是当前钢铁材 料大幅涨价， 更加剧了国内机床企业的竞争压力 。寻求一种 价格较为低廉且性能与铸铁相差无几甚至高 于铸铁 的新型 材料代替铸铁制造机床床身， 已成为制造企业谋求提高机床 质量和企业利润的出口。 2 0 1 2 年国家 O 4 专项“ 高档数控机床与基础制造装备” 将 “ 纤维增韧增强树脂矿物复合材料及其精密机床床身精度稳 定性技术” 列为课题项 目之一。笔者早 在 2 0 0 4 年 曾把纤维 增强树脂混凝土作为一种用于制造机床基础件的新 型复合 材料， 发现其具有 良好 的吸振性 和热稳定性 ， 并对其 阻尼 比 等参数进行了试验。试验发现纤维增强树脂混凝土热变形 系数约为 5 9 2 1 O ， 约为铸铁的 i 2 ， 热传导率是灰铸铁 的 1 2 0以下， 在遇到短时内外界温度变化时， 温度恒定时间 要长 3倍以上， 而温度影 响的反应振幅只有 1 3 。钢纤维的 加入提高了其抗剪强度、 抗压强度及劈裂抗拉压强度和抗冲 击性能， 优越的动静态性能满足了发展 高速度 、 高精度机床 对床身的要求。 长期以来 ， 研究者对机床振动、 热变形测量及误差补偿 的研究， 主要从改善和优化制造机床的结构出发， 未能从利 用其他具有优 良热性能材料的角度出发， 同时从优化制造机 床基础件的结构 的角度出发来提高机床静、 动态和热性能 ， 以提高机床的加工精度 。机床稳定的热性能是影响机床加 工质量的重要因素 ， 开展纤维增强树脂混凝土机床基础件 的 热性能研究是很有必要的， 研究者多从静、 动态力学角度研 究材料性能， 尚未涉及热态性能研究。此外， 纤维增强树脂 混凝土复杂的力学性能和本构关系完全不同于传统机床基 础件材料铸铁 ， 设计者不能完全遵循传统 的设计方法设计纤 维增强树脂混凝土数控机床基础件， 需考虑材料 自身力学性 能 。 1 国 内外研究现状 1 1 纤维增强树脂混凝土数控机床基础件的研究现状 树脂t 昆 凝土在机床基础件中的应用大致经历了普通混 凝土 、 树脂混凝土、 纤维增强树脂混凝土的发展历程。 国外， 自 从混凝土 问世以来， 其在制造机床构件方 面的 应用得到了飞速发展。如德 国的 S c h l e s i n g e r公司、 B o e h r i n - g e r 公司、 B u r k h a r t &We h e r 公司以及 D a r ms t a d t 大学等企业 研究所成功将树脂混凝土用于加工中心和高速机床上， 并完 成聚合物混凝土德国工业标准等 。欧洲其他 国家如 ： 瑞士 的 Ge o r g e f e s h e r 公司、 S t u d e r公司等 ， 自 S t u d e r 公 司 自行研制 成第一台外圆磨床 的树脂混凝土床身和主轴后 ， 2 0世纪 8 O 年代初又制成了 $ 3 0 到 $ 5 0数控外 圆磨床的树脂混凝土床 身。意大利 的 No r ma公司与 S a n R o c c o公司相继推 出装有 钢筋混凝土构件或纤维增强树脂混凝土构件的机床产品。 日本机械工业促进协会 技术研究所试制 了树脂混凝 土 材料磨床床身 ， 并将聚合矿物复合材料技术应用于高速车床 床身 。 为了更好地将树脂混凝土应用于机床基础件 ， 满足近年 来机床产业高精 高速发展的新要求 。国外学者采用将钢纤 维、 玻璃纤维加入混凝土或树脂混凝土以提高材料力学性能 用于制造机床结构 ； 尝试将聚合物混凝土与传统金属材料结 合的方式设计机床结构等不同的方式 。如早在 1 9 9 5 年， M R a h ma n等瞳 就将 钢纤维增 强混凝 土用 于制造型 号 P S G - 5 2 D X的机床结构， 并对其性能进行测试 ， 验证 了钢纤维增强 混凝土用于制造机床的合理性。随后凭借该材料 优良的阻 尼特性 ， 在 2 0 0 1 年 ， M R a h ma n 3 又将其应用于数控机床 。 2 O O 8 年 J u n g D o S u h 4 将聚合物混凝土框架结构应用在龙门 铣床机 床 底 座 上， 并 取 得 了 不错 的 效 果。2 0 1 1年 S u n g Ky u m C h o等 5 将树脂混凝土用于小型机床结构以减轻结构 的质量 ， 提高结构刚度。2 0 1 2 年 He a d e r Ha d d a d _ 6 对树脂混 凝土的各种力学性能参数进行测试 ， 获得了性能优 良的树脂 混凝土材料 ， 并将用于精密机床结构的制造。 国内自2 0 世纪 5 O 年代末， 机床制造业 中提出用非金属 材料制造机床支撑件开始 ， 北京机床研究所 、 上海机床厂 、 大 连机床厂 、 同济大学等企业 、 高校研究 所通过 自主研发或采 用技术交流的形式进行相关技术研究 ， 相继采用钢筋混凝土 或聚合物混凝土用于机床基础件的制造 。但 由于受到各种 因素的影响， 没有获得批量生产。随后 ， 国内多所高校企业 展开混凝土材料在机床上应用的研究 。如辽 宁工程技术大 学徐平 7 从机理上分析 了钢纤维聚合物 昆 凝 土力学性能和 阻尼的内在本质， 并通过制造 、 测试钢纤维聚合物混凝土车 床床身模型证明了该材料制造机床床身的优越性 和合理性 。 早在 2 0 0 7 年济南鲁洋科技有限公司又与济南第四机床厂共 同合作研发 ， 并制作了树脂基复合材料床身。国内其他高校 如大连理工大学、 山东大学( 山东工业大学) 、 重庆大学 、 昆明 理工大学等分别从纤维增强树脂混凝土材料的制备工艺、 性 能测试 以及纤维增强树脂混凝土机床基础件 的制造加工、 床 身静动力学性能测试、 仿真分析等角度来验证纤维增强树脂 混凝土用于制造机床基础件合理性。国内吴隆 8 较早将树 脂混凝土用于机床床身的制造 ， 对材料组分的配 比以及填料 对材料 的影 响进 行 了相 关研究 。山东工 业大学 的李剑锋 等_ s 将聚合矿物复合材料用 于了机床夹具的制造。大连理 1 1 O 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 5 年 8月( 上) 第 2 9卷第 8期 工大学的王德伦I l 。 。 团队进行 了钢纤维混凝土床身的特性分 析与试验研究 ， 从静态与动态性能分别分析了钢纤维混凝土 制造床身的可行性 ， 结果表明钢纤维混凝 土材料制成的床身 在刚度 、 强度和固有频率等方面均能满足床身要求。浙江工 业大学的卢波 1 团队基 于有限元方法对树 脂混凝土构件 在磨床上的应用进行 了大量的研究。他们将 树脂混凝土应 用到大型数孔龙门平面磨床立柱的制造 ， 并采用有限元方法 对树脂混凝土立柱进行了动力学分析， 验证 了树脂混凝土立 柱比铸铁材料具有更佳的动态特性 。陈旭东等 1 胡 研究 了树 脂混凝土材料 VMC L 6 O O加工 中心关键结构 的制造 ， 提出金 属材料与树脂混凝土相结合的混合结构用于机床床身制造 ， 能进一步提高机床床身的综合性 能。重庆大学的周忆_ 】 4 _ 教 授团队对树脂基复合材料床身的阻尼性 能及热性能进行 了 研究。屈涛等n 基于试验 的方法对树脂混凝土床身进行 了 模态分析。山东大学的白文峰等_ 】 对纤维增强 聚合物混凝 土及其界面与阻尼机理进行了相关研究。 由于混凝土本身存在着非均匀、 非连续 、 非线性 以及多 相性等特点， 决定了其力学性能的复杂多变 ， 为分析其受力 破坏机理 ， 人们建立了各种各样的理论模型。 目前 ， 国内外 对混凝土 、 钢纤维混凝土、 高强混凝土的研究在 日臻完善 ， 但 对纤维增强树脂混凝土的力学性能及本构关系 的研究相对 较少。另外， 研究者多从纤维增强树脂混凝土材料的制备工 艺 、 力学性能测试以及纤维增强树脂混凝土机床基础件的制 造加工、 床身静动力学性能测试、 仿真分析等角度来验证纤 维增强树脂混凝土用于制造机床的基础件 。对纤维增强树 脂混凝土机床基础件设计方法及工艺多借鉴传统铸铁材料 的机床基础件 ， 与纤维增强树脂混凝土特殊 的成型工艺相匹 配的结构优化设计方法相对较少 。 笔者认为纤维增强树脂混凝 土数控机床基础件理论研 究 尚需从 以下几个方面进行展开： ( 1 ) 研究在树脂混凝土加入其他材质纤维( 如玻璃纤维 、 碳纤维 、 尼龙纤维) 时， 纤维含量、 长径 比， 粘结剂、 骨料、 填料 等组分对其物理力学性能、 阻尼性能、 热稳定及化学稳定性 的影响； 以阻尼减振 、 热稳定和力学性能 的良好组合 为优化 目 标 ， 进一步优化纤维增强聚合物混凝 土的组分配 比， 确定 适于制造数控机床基础件 的纤维增强树脂混凝土材料 的最 佳成分配比； 研究纤维增强树脂混凝土制造数控机床基础件 的成型机理及生产工艺流程 ； 根据其成型工艺 ， 完善纤 维增 强树脂混凝土机床基础件的设计方法。 ( 2 ) 运用复合材料界面理论 ， 从微观角度对纤维增强树 脂混凝土的( 钢纤维 基体) 界面分析 ， 研究纤维增强树脂混 凝土在发生热变形时界面热剪应力与温度变化的关系。建 立材料组分最佳 比例下的纤维增强树脂混凝土力学本构关 系。 ( 3 ) 在分析纤维 、 界面对材料阻尼的影响 以及纤维增强 树脂混凝土阻尼定量分析的基础上 ， 建立纤维增强树脂混凝 土材料阻尼数学模型。结合数控机床运行环境 ， 建立多场耦 合条件下 ， 纤维增强树脂混凝土机床基础 件的热 、 动力学数 学模型。 1 2 机床结构热动力学优化方面的研究现状 机床结构热动力学性能优化是改善机床动态性能和热 稳定性的主要途径。自 2 0 世纪 6 O 年代， 国内外学者对机床 结构设计方法及数字化设计进行 了广泛研究 。通过试验与 理论分析， 找出了机床的薄弱环节 ， 针对机床的薄弱环节进 行结构优化 ， 提高机床结构的静 、 动态力学性能。 目前研究 者已经开始尝试采用拓扑优化 的方法来解决机床结构优化 时遇到的问题。德 国人 L K r o l l 等 利用拓扑优化技术在 对机床各部分零件进行轻量化设计的基础上 ， 获得整机的轻 量化设计。马超【 1 借用有限元分析软件 ， 基于变密度拓扑优 化对某型号机床立柱进行 了拓扑优化， 实现 了机床结构的轻 量化设计。饶柳生等 1 9 _ 基于拓扑优化技术 中的 S I MP方法 通过改变加强筋板在机床立柱上的个数与分布位置， 达到对 机床立柱静动态性能优化的目的。巫修海等瞳 o 采用 I CM 法 的连续体拓扑优方法对 高速卧式加工中心 的立柱进行了优 化设计 ， 并获得了一定的效果。 上述研究者多忽略了机床结构热变形的影响。研 究者 对数控机床基础件进行优化设计 时， 需要考虑结构 的散热。 尤其设计与数控机床主轴系统相关联基础件时， 更应该考虑 其结构的散热功能。笔者认为考虑机床热变形的影响因素 对机床基础结构进行优化设计时， 需要首先获得机床结构工 作过程时精确的温度场 ， 建立精确 的热力耦合工况， 最后考 虑热力耦合作用， 采用拓扑优化技术对机床基础件进行热动 力学性能优化设计。 1 3 纤维增强树脂混凝土机床基础件热动 力学性能 拓扑优化 纤维增强树脂混凝土可以看成以纤维为增强相以聚合 物混凝土为基体形成的混杂两相复合材料。 目前连续体结 构的拓扑优化设计研究主要集 中在采用单一材料进行优 化 设计 ， 而两相 、 多相复合材料 的连续体结构拓扑优化设计 相 对较少， 且多停留在对结构的静力学性能进行优化 ， 针对结 构较复杂的纤维增强树脂混凝 土机床基础件进行拓扑优化 设计的研究更少 。笔者_ 2 1 曾采用单元 变密度方法和节点变 密度方法 ， 提出以模态阻尼 比最大作为优化 的 目标 函数 ， 结 合有限元建模、 独立敏度分析、 滤波和灵敏度再分配等步骤 完成阻尼结构在板壳结构表面的布局优化， 并取得了一定 的 效果。研究发现， 对纤维增强树脂混凝土两相材料进行拓扑 优化是可行的。另外 ， 其他研究者也为解决纤维增强树脂混 凝土两相材料机床基础件拓扑优化提供了解决思路。2 0 0 0 年 S i g mu n d 等_ 2 。 在对柔顺机构进行拓扑优化设计时， 就采用 了两相材料的插值模型。Me i 等 2 曾将柔度最小作为优化 的 目 标 ， 利用水平集方法对多相材料连续体结构进行 了拓扑 优化。Wa n g 等 z 4 , a s 在对多相材料进行拓扑优化时引入 了相 场理论。孙士平等l_ 2 。 在对多相材料进行拓扑优化时， 为了提 高优化精度、 抑制数值不稳定 现象 ， 提 出了周长控制方法 。 u 等 2 曾以应力大小为约束条件 ， 对两相材料的柔顺机构进 行了拓扑优化设计 。郭旭等 2 胡 在节点水平集法的基础上提出 拓扑描述函数法 ， 通过引入支集放松技术 ， 提高计算效率。 由此可知 ， 拓扑优化可以用于纤维增强树脂混凝 土数控 纤维树脂混凝土数控机床基础件热动力学拓扑优化研 究综述 王明旭等 1 1 1 机床基础件的热动力性能优化。 针对纤维增强树脂混凝土机床 构件 的热动力学性能拓 扑优化的研究尚未报道 。笔者认为纤维增强树脂混凝土在 制备过程相对铸铁具有好的抗腐蚀性 、 吸振 、 防锈 、 耐热性 以 及常温下一次成型的低能耗特性。但纤维增强树脂混凝土 同样具有很多缺点： 成型时流动性 比较差， 弹性模量与铸铁 比相对较小、 不能焊接等。成型时的流动性制约了其不能像 铸铁那样加工成相对复杂的构形 ； 弹性模量低要求设计时若 需提高结构刚性 ， 需要增大截面的惯性矩 ， 不能按 照设计铸 铁机床构件的图纸来制造纤维增强树脂混凝土数控机床构 件， 例如设计纤维增强树脂混凝土机床床身的截面形状可以 根据实际需要来设计不同于铸铁床身的截面形状等； 不具有 焊接性能 ， 制约了其用于制造数控机床基础件时只能一次成 型或通过预埋构件进行连接 ， 不能采用焊接的方式连接各部 分构件等。考虑到纤维增强树脂混凝土苛刻 的加工制造条 件 ， 要求设计者在对纤维增强树脂混凝土数控机床基础件热 动力学性能设计 ， 需采用传统设计方法设计 的同时， 尝试新 的优化设计方法拓扑优化方法 。 2 解决策略 为加快纤维增强树脂混凝土在数控机床基础件 中的应 用、 提高数控机床抑制振动 、 热变形的能力， 笔者认为需要从 以下几方面进行研究 ： ( 1 ) 机床的内部和外部热源都能 引起机床 的温度变化， 使其产生热变形 ， 破坏各部件之间的相对位置精度和运动精 度， 影响机床的几何精度 和工作精度 ， 其 中基础件的热变形 是影响机床加工精度的主要 因素 。研究者拟根据数控机床 工作现场受到的外界及 自身产生的温度场 、 载荷场 ， 建立不 同工况条件下 ， 数控机床的载荷场。 ( 2 ) 根据纤维增强树脂混凝土苛刻的加工制造条件 ， 基 于能量原理 ， 建立复杂工况下纤维增强树脂混凝土数控机床 基础件的热动力学方程； 采用有限元方法， 对其进行数值求 解 。 ( 3 ) 发展和完善新的拓扑优化方法用于纤维增强树脂混 凝土数控机床基础件的热动力学性能 。该方法需要兼顾克 服纤维增强树脂混凝土 自身缺点影 响、 数控机床复杂的工况 条件干扰的同时， 并能提高优化设计计算 效率。引入耦合物 质点方法用于纤维增强树脂混凝土机床基础件 的热动力学 性能优化设计 中， 构造适合纤维增强树脂混凝土 自身性 能、 满足结构间特性的， 在空间上具有连续性、 光滑性 的拓扑变 量场， 建立多场耦合条件下纤维增强树脂混凝土机床基础件 热动力学性能拓扑优化模型 ， 引入动力学缩聚理论提高优化 效率。最终获得最优、 最实用的纤维增强树脂混凝土数控机 床基础件结构。 研究者需攻关 的关键点为 ： ( 1 ) 钢纤维增强树脂混凝土机床床身的动力学模型的建 立 基于试验的方法研究在树脂混凝土加入钢纤维的含 量、 长径 比， 粘结剂、 骨料 、 填料等组分对其物理力学性能 、 阻 尼性能、 热稳定性能及化学稳定性的影响， 优化纤维增强聚 合物混凝土的组分配比。 基于热力学第一定律， 运用损伤力学和界面力学原理 探究在热动力学约束条件下钢纤维增强树脂混凝 土微观 细 观结构和宏观特征关 系、 多相界面行为， 增强、 阻裂机 理， 建 立材料的力学本构关系。 结合试验与理论研究结果 ， 根据材料发生热变形时界 面热剪应力与温度变化的关系， 以及钢纤维增强树脂混凝土 的阻尼性能 ， 建立材料组分最佳 比例的力学本构关系 。 基于钢纤维增强树脂混凝土的力学本构关系， 结合机 床的结构特点 ， 基于数值方法建立钢纤维增强树脂混凝土床 身的动力学模型。 ( 2 ) 热、 力环境载荷变化规律对数控 机床床身动响应影 响研究 基于朗格朗 日定律研究机床床身受到温度场引起 的 等效热载荷 ， 研 究机床床身所受热载荷 与动载 荷的耦合关 系， 建立床身所受热载荷与动载荷的特征参数在机床床身空 间及时间域内的表述模型。 探讨作用在机床床身上整体及局部的温度场 力的变 化规律 。 研究温度场和载荷对机床床身的动态响应特性。 空 间物质 点变 量 场构造 方法 材 料力学 本 构关系建立 机床基础件 载荷谱建立 机床 基础件 热 动力 学方程 物质点变密度 拓扑 优化方 法 机床基础件最 优拓扑结构 仿真 与试验 验证 制造工艺的研 究 ，技术 推广 图 1 解 决思 路 Fi g 1 S o l u t i o n s ( 3 ) 钢纤维增强树脂混凝土机床床身热动力学建模及优 化 分别 以上述钢纤维增强树脂 混凝土床身的动响应模 型和环境载荷模型为边界条件和载荷条件， 建立复杂环境 约 束条件下 ， 钢纤维增强树脂混凝土机床床身的整体热动力 学 1 1 2 材料导报 A： 综述篇 2 0 1 5 年 8月( 上) 第 2 9卷第 8期 响应模型， 分析床身的热动力学响应特性。 引入物质点方法， 研究适合钢纤维增强树脂混凝土机 床床身结构的热动力学拓扑优化方法 ， 并建立以结构动响应 最小为目标的床身动力学拓扑优化模型。 采用数值仿真和试验相结合的方法 ， 研究优化后钢纤 维增强树脂混凝土机床床身抑制振动、 抗热性能效果。 运用形状优化方法紧密结合钢纤维增强树脂混凝土 制造工艺， 对拓扑优化的结果进行形状优化的处理， 以利于 钢纤维增强树脂混凝土机床床身的制造 。 3 解决思路 具体解决思路如图 1 所示 。从研究纤维增强树脂混凝 土材料本身力学性能及阻尼特性人手， 建立材料本构关 系。 结合现场测试获得 的 T H C 6 3 8 0精密卧式的载荷谱 ， 基于拓 扑优化的方法， 结合材料 自身制造工艺特点对纤维增强树脂 混凝土机床基础件的热 、 动力学性能进行优化设计 ， 为该材 料在高档数控机床基础件中的应用提供理论依据 。 4 结语 本文提出了从采用新材料和优化机床 自身结构方面来 提高数控机床加工精度的思路 ， 并对国内外纤维增 强树脂混 凝土作为机床基础件的研究现状进行 了分析 ， 提出基于拓扑 优化的方法， 结合数控机床工作的环境条件， 考虑材料 自身 力学本构关系来对纤维增强树脂混凝土机床基础件进行优 化设计 ， 给出了具体解决策略和思路。 参考文献 1 王爱玲 机床热刚度问题的探讨 C 6 3 o 一 3型普通机床主轴部 件温升及热变形分析 c 中国机械加工学会热变形研讨 会 南京 ， 1 9 8 4 2 Ra h ma n M ，Ma n s u r M A，Z h o u Fe n g De s i g n f a b r i c a t i o n a n d e v a l u a t i o n o f a s t e e l f i b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn f o r g r i n d i n g ma c h i n e s J Ma t e r De s ， 1 9 9 5 ， 1 6 ( 4 ) ： 2 0 5 3 Ra h ma n M 。Ma n s u r M A，Le e L K， e t a 1 De v e l o p me n t o f a p o l y me r i mp r e g n a t e d c o n c r e t e d a mp i n g c a r r i a g e f o r l i n e a r g u i d e w a y s f o r ma c h i n e t o o l s E J I n t j Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 1 ， 4 l ： 4 3 1 4 J u n g Do S u h。Da i Gi l Le e De s i g n a n d ma n u f a c t u r e o f h y b r i d p Q l y me r c o n c r e t e b e d f o r h i g h - s p e e d CNC mi l l i n g n l a c h i n e E J I n t j Me c h a n Ma t e r D e s ， 2 0 0 8 ， 4 ： 1 1 3 5 S u n g Ky u m Ch o ，Hy u n J u n Ki m，S e u n g Hwa n C h a n g Th e a p p l i c a t i o n o f p o l ym e r c o mp o s i t e s t o t h e t a b l et o p ma c h i n e t o o l c o mp o n e n t s f o r h i g h e r s t i f f n e s s a n d r e d u c e d we i g h t J Co mp o s S t r u c t ， 2 0 1 1 ， 9 3： 4 9 2 6 He a d e r Ha d d a dM o h a n n a d Al Ko b a i s i Op t i mi z a t i o n o f t h e p o l y me r c o n c r e t e u s e d ma n u f a c t u r i n g b a s e s f o r p r e c i s io n t o o l m a c h i n e s J C o mp o s i t e s P a r t B， 2 0 1 2 ， 4 3 ： 3 0 6 1 7 徐平 钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及 损伤机理研究 D 阜新： 辽宁工程技术大学， 2 0 0 6 8 吴隆 用环氧树脂混凝土制造机床床身的研究 J 组合机床 与 自动化 ， 1 9 9 4 ( I I ) ： 1 2 9 李剑锋 用聚合矿物复合材料制造铣床夹具 J 山东工业大 学学报 ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 5 1 O赵春燕， 王德伦 复合材料机床床身特性分析与实验研究 D 大连 ： 大连理工大学， 2 0 0 8 1 1潘浩军， 卢波 ， 段京虎， 等 树脂混凝土在大型数控龙门平面 磨床上的应用I- j 新技术新工艺， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 8 1 2李海聪 ， 翁泽宇， 卢波 树脂混凝土构件 的有 限元建模 及其在 MK7 1 3 2 B平面磨床上的应用 D 杭州： 浙江工业大学， 2 0 1 1 1 3陈旭东， 陈振玉 树脂混凝土床身结构动态分析与优化 J 中国制造业信息化 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 1 5 ) ： 2 0 1 4张巍， 周怡 树脂基复合材料数控车床床身研究与分析 D 重庆： 重庆大学， 2 0 1 2 1 5屈涛， 尹志宏， 杨峰 树脂混凝土床身的动静态特性分析 J 现代机 械 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 5 1 6白文峰， 张建华 纤维增强聚合物混凝土及其界面与阻尼机 理研究 D 济南： 山东大学， 2 0 0 9 1 7 Kr o l l a L，B1 a u b P， Wa b n e r b M ， e t a 1 Li g h t we i g h t e o mp o n e n t s f o r e n e r g y - e f f i c i e n t ma c h i n e t o o l s E J C I R P J Ma n u f a c t S c i Te c h n o l ， 2 0 1 1 ， 4 ( 2 ) ： 1 4 8 1 8马超 机床结构设计方法研究及在立柱设计中的应用 D 大连： 大连理工大学， 2 0 1 0 1 9饶柳生， 侯亮 ， 潘勇军 基于拓扑优化的机床立柱筋板改进 J 机械设计与研究， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 8 7 2 O巫修海， 马云芳 ， 朱壮瑞 基于 I C M法的高速卧式加工中心 立柱拓扑优化设计_ J 制造技术与机床， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 5 5 2 1王 明旭 ， 陈国平 基于变密度方 法约束 阻尼结构 动力学 性能 优化