1.一种基于有限元分析的双柱立式车床整机结构优化设计方法，其特征在于：包括如
S1、建立龙门架（1）、横梁（2）、横梁滑座（3）及刀架（4）的三维模型，龙门架（1）包括右立
柱（101）、连接梁（102）和左立柱（103），刀架（4）包括刀架滑座（401）和滑枕（402）；
S2、将龙门架（1）、横梁（2）、横梁滑座（3）及刀架（4）的三维模型装配成整机有限元分析
S3、将整机有限元分析模型中龙门架（1）去除，剩余横梁（2）及横梁滑座（3）和刀架（4）
S4、去掉第二步计算方案中横梁（2），将横梁滑座（3）及刀架（4）的装配模型作为第三步
S5、对第一步计算方案进行有限元分析，在刀架（4）的滑枕（402）的端部施加三个方向
的切削力，设定重力加速度，设定各部件间的接触关系，固定左立柱（103）、右立柱（101）底
面，赋予各零件材料参数，划分网格并计算，读取滑枕（402）端部三个方向的变形数据；
S6、对第二步计算方案进行有限元分析，在刀架（4）的滑枕（402）的端部施加三个方向
切削力，设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定横梁（2）与左立柱（103）、右立柱
（101）接触面，赋予各零件材料参数，划分网格并解算，读取滑枕（402）端部三个方向的变形
S7、对第三步计算方案进行有限元分析，在刀架（4）的滑枕（402）端部施加三个方向切
削力，设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定刀架滑座（401）与横梁（2）的接触面，
赋予各零件材料参数，划分网格并解算，读取滑枕（402）端部三个方向的变形数据，即为由
S8、用S5步计算结果减去S6步计算结果，得到由龙门架（1）承担的切削刚度误差值μ
S9、用S6步计算结果减去S7步计算结果，得到由横梁（2）承担的切削刚度误差值μ
，用该数据除以横梁（2）的重量，即为横梁（2）承担的在单位重量上的整机切削刚度误差
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的双柱立式车床整机结构优化设计方
法，其特征在于：建模过程中用大件装配结构模拟机床整机受力状态，其余不承受载荷的附
件重量，通过调节大件密度参数来保证计算精度，大件包括：左立柱（103）、右立柱（101）、连
结梁（102）、横梁（2）、横梁滑座（3）、刀架滑座（401）和滑枕（402）；建模过程中，充分考虑各
零件间的接触关系，对接触部位精细建模，保证接触关系的准确性，去除倒角、圆角、螺纹孔
3.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的双柱立式车床整机结构优化设计方
法，其特征在于：有限元分析过程中每一步计算过程中同一零件的网格划分均一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的双柱立式车床整机结构优化设计方
来越高，传统双柱立式车床整机结构的布局已经不能够满足加工精度的要求了，需要对立
柱、横梁、刀架等主要结构部件进行变型，为满足设计要求，提高机床精度指标，往往需要增
机结构优化设计方法，应用了计算机辅助工程技术，该方法适用于机床设计领域的工作中,
采用有限元的分析手段，提供双柱立式车床整机结构方案优化设计方法，使同等重量情况
S1、建立龙门架、横梁、横梁滑座及刀架的三维模型，龙门架包括右立柱、连接梁
S2、将龙门架、横梁、横梁滑座及刀架的三维模型装配成整机有限元分析模型，作
S3、将整机有限元分析模型中龙门架去除，剩余横梁及横梁滑座和刀架的装配体
S4、去掉第二步计算方案中横梁，将横梁滑座及刀架的装配模型作为第三步计算
S5、对第一步计算方案进行有限元分析，在刀架的滑枕的端部施加三个方向的切
削力，设定重力加速度，设定各部件间的接触关系，固定左立柱、右立柱底面，赋予各零件材
S6、对第二步计算方案进行有限元分析，在刀架的滑枕的端部施加三个方向切削
力，设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定横梁与左立柱、右立柱接触面，赋予各零
件材料参数，划分网格并解算，读取滑枕端部三个方向的变形数据，即为整机切削刚度误差
S7、对第三步计算方案进行有限元分析，在刀架的滑枕端部施加三个方向切削力，
设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定刀架滑座与横梁的接触面，赋予各零件材料
参数，划分网格并解算，读取滑枕端部三个方向的变形数据，即为由刀架承担的整机切削刚
S8、用S5步计算结果减去S6步计算结果，得到由龙门架承担的切削刚度误差值μ
S9、用S6步计算结果减去S7步计算结果，得到由横梁承担的切削刚度误差值μ
，用该数据除以横梁的重量，即为横梁承担的在单位重量上的整机切削刚度误差值，
量，通过调节大件密度参数来保证计算精度，大件包括：左立柱、右立柱、连结梁、横梁、横梁
滑座、刀架滑座和滑枕；建模过程中，充分考虑各零件间的接触关系，对接触部位精细建模，
保证接触关系的准确性，去除倒角、圆角、螺纹孔等对整体计算影响微小的细节特征；有限
元分析过程中每一步计算过程中同一零件的网格划分均一致；有限元分析结果的数据读取
在使用过程中，首先是模型的建立，建立各个大件的三维模型，包括左立柱、右立
柱、连接梁、横梁、横梁滑座、刀架滑座和滑枕；其次是模型的装配与计算方案的规划，将左
立柱、右立柱、连接梁装配成龙门架，将横梁滑座、刀架滑座、滑枕装配成刀架的装配体，再
将横梁、刀架的装配体装配在一起成为横梁的装配体，再将龙门架和横梁的装配体装配在
一起成为整机装配体，整机装配体作为第一步计算方案，横梁的装配体作为第二步计算方
案，刀架的装配体作为第三步计算方案；再次是有限元分析的前处理，在第一步计算方案中
整机装配模型分析时，固定左立柱和右立柱底面，在第二步计算方案中横梁装配模型分析
时，固定横梁与左立柱和右立柱结合面，在第三步计算方案中刀架的装配模型分析时，固定
横梁滑座与横梁的结合面，各步骤有限元分析预处理时，同一零件网格大小一致，各步骤切
A、读取有限元分析结果：每次计算读取滑枕端部同一位置，示例分析结果如下：
对比可知，在同等重量情况下，整机切削刚度在X方向上提高33.7%，在Y方向上提
高7.5%，在Z方向上降低了24.1%，Z方向数据包含了刀架4由重力引起的变形，此方面可通过
经分析，各阶段固有频率变化不超过2%，优化后方案动态性能指标改变不大，方案
本发明的有益效果是：本发明设计合理、实用性强，采用本方法可以定量的获得各
部件对切削刚度的影响数据，从而有针对性的改进部件结构，使得各个部件发挥出最大的
作用，充分利用资源，降低设计成本；通过计算部件对机床切削刚度影响的占比，指导机床
部件的结构设计，获得整机部件机械结构的优化设计方案，在同等重量的情况下最大限度
1、龙门架， 101、右立柱， 102、滑枕， 103、左立柱， 2、横梁， 3、横梁滑座， 4、刀
如图1—3所示，一种基于有限元分析的双柱立式车床整机结构优化设计方法，包
S1、建立龙门架1、横梁2、横梁滑座3及刀架4的三维模型，龙门架1包括右立柱
101、连接梁102和左立柱103，刀架4包括刀架滑座401和滑枕402；
S2、将龙门架1、横梁2、横梁滑座3及刀架4的三维模型装配成整机有限元分析模
S3、将整机有限元分析模型中龙门架1去除，剩余横梁2及横梁滑座3和刀架4的装
S4、去掉第二步计算方案中横梁2，将横梁滑座3及刀架4的装配模型作为第三步计
S5、对第一步计算方案进行有限元分析，在刀架4的滑枕402的端部施加三个方向
的切削力，设定重力加速度，设定各部件间的接触关系，固定左立柱103、右立柱101底面，赋
予各零件材料参数，划分网格并计算，读取滑枕402端部三个方向的变形数据；
S6、对第二步计算方案进行有限元分析，在刀架4的滑枕402的端部施加三个方向
切削力，设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定横梁2与左立柱103、右立柱101接触
面，赋予各零件材料参数，划分网格并解算，读取滑枕402端部三个方向的变形数据，即为整
S7、对第三步计算方案进行有限元分析，在刀架4的滑枕402端部施加三个方向切
削力，设定重力加速度，设定各部件间接触关系，固定刀架滑座401与横梁2的接触面，赋予
各零件材料参数，划分网格并解算，读取滑枕402端部三个方向的变形数据，即为由刀架4承
S8、用S5步计算结果减去S6步计算结果，得到由龙门架1承担的切削刚度误差值
S9、用S6步计算结果减去S7步计算结果，得到由横梁2承担的切削刚度误差值μ
，用该数据除以横梁2的重量，即为横梁2承担的在单位重量上的整机切削刚度误差
量，通过调节大件密度参数来保证计算精度，大件包括：左立柱103、右立柱101、连结梁102、
横梁2、横梁滑座3、刀架滑座401和滑枕402；建模过程中，充分考虑各零件间的接触关系，对
接触部位精细建模，保证接触关系的准确性，去除倒角、圆角、螺纹孔等对整体计算影响微
小的细节特征；有限元分析过程中每一步计算过程中同一零件的网格划分均一致；有限元
在使用过程中，首先是模型的建立，建立各个大件的三维模型，包括左立柱103、右
立柱101、连接梁102、横梁2、横梁滑座3、刀架滑座401和滑枕402；其次是模型的装配与计算
方案的规划，将左立柱103、右立柱101、连接梁102装配成龙门架1，将横梁滑座3、刀架滑座
401、滑枕402装配成刀架4的装配体，再将横梁2、刀架4的装配体装配在一起成为横梁2的装
配体，再将龙门架1和横梁2的装配体装配在一起成为整机装配体，整机装配体作为第一步
计算方案，横梁2的装配体作为第二步计算方案，刀架4的装配体作为第三步计算方案；再次
是有限元分析的前处理，在第一步计算方案中整机装配模型分析时，固定左立柱103和右立
柱101底面，在第二步计算方案中横梁2装配模型分析时，固定横梁2与左立柱103和右立柱
101结合面，在第三步计算方案中刀架4的装配模型分析时，固定横梁滑座3与横梁2的结合
面，各步骤有限元分析预处理时，同一零件网格大小一致，各步骤切削力载荷一致，同样地
A、读取有限元分析结果：每次计算读取滑枕402端部同一位置，示例分析结果如
对比可知，在同等重量情况下，整机切削刚度在X方向上提高33.7%，在Y方向上提
高7.5%，在Z方向上降低了24.1%，Z方向数据包含了刀架4由重力引起的变形，此方面可通过
经分析，各阶段固有频率变化不超过2%，优化后方案动态性能指标改变不大，方案
