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摘 要：本文主要是以横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构当中纵梁结构为例，从纵梁结构有限元综合分析及其优化性设计两个方面，深层地研究了横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构优化性设计，以能够择取最具科学性地、合理性地结构优化性设计方案，提高横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构设计效果。
关键词：横梁；倒挂式；激光；切割机；结构；优化；
前 言
激光的切割机，它主要应用于非金属及金属的切割加工，属于一类重要的机械化机器设备，在加工行业应用的范围相对较广，可有效地提高加工生产精度及效率，应用效果极为理想化。横梁的倒挂式这种激光的切割机，是目前在加工行业当中应用最多的一种形式。那么，为了能够更好地提高横梁的倒挂式这种激光的切割机实际应用效果，相关设计技术人员就需对其总体结构进行合理地、科学地优化性设计，以能够提高横梁的倒挂式这种激光的切割机总体结构的功能性。
1、纵梁结构有限元综合分析
纵梁，它可直接承受着运动负载所产生的变形，且对于低阶固有的频率有着一定影响，纵梁的静态与动态性极为重要，必须予以优化性设计。纵梁部件的负载由三部分所组成，即为力矩的负载、惯性力的负载、重力的负载。重力的负载，它包含着横梁部件的總重力Ghz、纵梁自身重力Gzi；纵梁自身重力Gzi加载，仅需对该纵梁结构进行重力及加速度的施加，预估该横梁部件的总体质量 mhz=2.50kg，而Ghz=mhzg=2450N；惯性力的负载，应考虑到横梁部件的总惯性力，该Y轴方向Fhza=mhzar=2450N，该ar=9.8m/s2是Y轴最大的加速度。因最危险状况条件之下，该横梁部件的重心处并未处于纵梁的对称面之上，以至于所出产生力矩的负载性Thz=Ghzd=300N。如图1所示，纵梁下方所在两个的接触面均施加以固定性地约束。如图2所示，利用四面体的网格化单元，针对于该纵梁有限元的网络予以精细化地划分，单元数即为2940，而节点数则为5724。如图3.1-3.2所示，为具体的分析结果，最大的等效应力是3.96MPa，其强度性符合相关标准。最大的变形是0.0552mm。其最大的变形当中，Z方向的变形可达0.0551mm范围，足以表明在固定负载状态之下，该纵梁变形表现即为Z向的位移，而Y、X向的位移相对较小，对于激光头的上下移动可产生移动影响。因该激光的切割头实际加工期间，通常存在着Z向的随动性功能情况，故Z向的变形其对于加工的精度性有着较小的影响。但是，该纵梁处于Z轴挠度期间，会致使纵梁出现弯曲情况。由该纵梁在重力所致使端点转角即为θ1=qL3/24EI。在该列式当中，q代表的是分别的载荷；I代表的是纵梁的长度；E代表的是弹性的模量；L代表的是截面轴的惯性矩。纵梁的重力所引起最大挠度值即为：fimax=5qL4/384EI。那么，由此即可得知：θ1=16fimax/5L。由横梁集中力的载荷所引起端点转角即为：θ2=PL2/16EI。在该列式当中，P代表的是横梁等相关部件实际重力。横梁等相关部件最大挠度值即为f2max=PL3/48EI。故θ1=3f2max/L。因纵梁二者直接相互作用之下，会产生Z方向的挠度变形，即为3fmax/L≤θ≤16fmax/5L。在横梁逐沿着该纵梁实施左右运动期间，该角度会致使横梁发生倾斜情况，激光头的Y方向实际变形与斜角呈成比例，故需优化该纵梁，模态化分析该纵梁。如图4所示，为其固定的频率。纵梁在Z方向下振动，需尽可能地将Z方向的运动各个阶模态予以提高，并将其动态化的刚度有效提升。
2、纵梁结构的优化性设计
依据以上纵梁结构有限元综合分析，拟定以下结构优化性设计方案，通过比较分析择取最佳纵梁方案。如图5所示，为该分析结果。第一套方案即为：无内筋，梁高度为450mm、两侧的竖版厚度为15mm、上下板的厚度为10mm；第二套方案即为：以第一套方案为基础，把高度增加至500mm；第三套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为10mm；第四套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为20mm；第五套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为30mm；第六套方案即为：如图6所示的筋板，以第二套方案为基础，将筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第七套方案即为：以第二套方案为基础，如图7所示的竖筋板，将竖筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第八套方案即为：以第二套方案为基础，将如图8所示的筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第九套方案即为：以第二套方案为基础，将如图9所示垂直纵向的筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第十套方案即为：以第三套方案为基础，增加一条为8mm的垂直纵向筋板，该3条均布设8mm的垂直横向筋板；第十一套方案则同于第十套方案，只把两侧板更改为15mm即可；第十一二套方案，以十套方案为基础，将三条均布设8mm的垂直横向筋板去除；第十一三套方案，以十二套方案为基础，将上下板变更为8mm。
经过以上分析结果可得出下述结论：其一，由第一套与第二套方案对比分析，可明显得出其对于变形的影响相对较大，实际变形的减少比例为25%；其二，第二套至第五套方案对比分析，可明显得出该侧板实际厚度逐渐从10mm增加到30mm，实际变形可减少至16%，耗材增加了85%；其三，第六套至第五八套方案对比分析，可明显得出增加了12条不同的布置形式之下横筋板，该横筋板设置并没有将纵梁刚度性增加；其四，第十二套与第三套方案对比分析，可明显得出在增加了1条为8mm垂直纵向筋板后，变形可减少至8.1%；第十三套与第十二套方案对比分析，可明显得出其上下板的实际厚度逐渐从10mm逐渐减到8mm。如图10所示，两侧板的厚度为10mm，纵筋板为8mm，上下板的厚度为8mm。把优化后纵梁的模态及应力做出对比分析，其最大的等效应力即为3.196MPa，可符合于相关标准。如图11所示，沿着Z轴各个阶模态的频率相比较于初始设计较高，足以证明该动态的刚度性得以提高。
3、结语
综上所述，为了能够更好地进行横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构优化性设计，就需相关设计技术人员能够积极投身于实践探索当中，以积累更多地实践经验，构思出不同地结构设计方案，从中进行必选分析，以能够择取到最佳地结构优化性设计方案，提高横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构设计专业化水准。
参考文献
[1]濮雍，周鹏飞，郭柏林，冯瑞年，王泽军，陈龙，等.一种激光切割机横梁的优化设计方法[J].锻压装备与制造技术，2017，52（04）：202-204.
[2]王猛，邝泳聪，洪海生，梁经伦，刘山和，等.HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计[D].湖北省机械工程学会设计与传动专业委员会学术年会，2017，28（10）：164-166.
[3]金俊尉，李树金，罗贵长，何纯贤.横梁倒挂式激光切割机的结构优化设计[D].南京航空航天大学，2016，31（12）：221-223.
（作者单位：东莞市恒好激光科技有限公司）
关键词：横梁；倒挂式；激光；切割机；结构；优化；
前 言
激光的切割机，它主要应用于非金属及金属的切割加工，属于一类重要的机械化机器设备，在加工行业应用的范围相对较广，可有效地提高加工生产精度及效率，应用效果极为理想化。横梁的倒挂式这种激光的切割机，是目前在加工行业当中应用最多的一种形式。那么，为了能够更好地提高横梁的倒挂式这种激光的切割机实际应用效果，相关设计技术人员就需对其总体结构进行合理地、科学地优化性设计，以能够提高横梁的倒挂式这种激光的切割机总体结构的功能性。
1、纵梁结构有限元综合分析
纵梁，它可直接承受着运动负载所产生的变形，且对于低阶固有的频率有着一定影响，纵梁的静态与动态性极为重要，必须予以优化性设计。纵梁部件的负载由三部分所组成，即为力矩的负载、惯性力的负载、重力的负载。重力的负载，它包含着横梁部件的總重力Ghz、纵梁自身重力Gzi；纵梁自身重力Gzi加载，仅需对该纵梁结构进行重力及加速度的施加，预估该横梁部件的总体质量 mhz=2.50kg，而Ghz=mhzg=2450N；惯性力的负载，应考虑到横梁部件的总惯性力，该Y轴方向Fhza=mhzar=2450N，该ar=9.8m/s2是Y轴最大的加速度。因最危险状况条件之下，该横梁部件的重心处并未处于纵梁的对称面之上，以至于所出产生力矩的负载性Thz=Ghzd=300N。如图1所示，纵梁下方所在两个的接触面均施加以固定性地约束。如图2所示，利用四面体的网格化单元，针对于该纵梁有限元的网络予以精细化地划分，单元数即为2940，而节点数则为5724。如图3.1-3.2所示，为具体的分析结果，最大的等效应力是3.96MPa，其强度性符合相关标准。最大的变形是0.0552mm。其最大的变形当中，Z方向的变形可达0.0551mm范围，足以表明在固定负载状态之下，该纵梁变形表现即为Z向的位移，而Y、X向的位移相对较小，对于激光头的上下移动可产生移动影响。因该激光的切割头实际加工期间，通常存在着Z向的随动性功能情况，故Z向的变形其对于加工的精度性有着较小的影响。但是，该纵梁处于Z轴挠度期间，会致使纵梁出现弯曲情况。由该纵梁在重力所致使端点转角即为θ1=qL3/24EI。在该列式当中，q代表的是分别的载荷；I代表的是纵梁的长度；E代表的是弹性的模量；L代表的是截面轴的惯性矩。纵梁的重力所引起最大挠度值即为：fimax=5qL4/384EI。那么，由此即可得知：θ1=16fimax/5L。由横梁集中力的载荷所引起端点转角即为：θ2=PL2/16EI。在该列式当中，P代表的是横梁等相关部件实际重力。横梁等相关部件最大挠度值即为f2max=PL3/48EI。故θ1=3f2max/L。因纵梁二者直接相互作用之下，会产生Z方向的挠度变形，即为3fmax/L≤θ≤16fmax/5L。在横梁逐沿着该纵梁实施左右运动期间，该角度会致使横梁发生倾斜情况，激光头的Y方向实际变形与斜角呈成比例，故需优化该纵梁，模态化分析该纵梁。如图4所示，为其固定的频率。纵梁在Z方向下振动，需尽可能地将Z方向的运动各个阶模态予以提高，并将其动态化的刚度有效提升。
2、纵梁结构的优化性设计
依据以上纵梁结构有限元综合分析，拟定以下结构优化性设计方案，通过比较分析择取最佳纵梁方案。如图5所示，为该分析结果。第一套方案即为：无内筋，梁高度为450mm、两侧的竖版厚度为15mm、上下板的厚度为10mm；第二套方案即为：以第一套方案为基础，把高度增加至500mm；第三套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为10mm；第四套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为20mm；第五套方案即为：以第二套方案为基础，把两侧竖版的厚度设定为30mm；第六套方案即为：如图6所示的筋板，以第二套方案为基础，将筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第七套方案即为：以第二套方案为基础，如图7所示的竖筋板，将竖筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第八套方案即为：以第二套方案为基础，将如图8所示的筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第九套方案即为：以第二套方案为基础，将如图9所示垂直纵向的筋板增加，该筋板实际厚度为10mm；第十套方案即为：以第三套方案为基础，增加一条为8mm的垂直纵向筋板，该3条均布设8mm的垂直横向筋板；第十一套方案则同于第十套方案，只把两侧板更改为15mm即可；第十一二套方案，以十套方案为基础，将三条均布设8mm的垂直横向筋板去除；第十一三套方案，以十二套方案为基础，将上下板变更为8mm。
经过以上分析结果可得出下述结论：其一，由第一套与第二套方案对比分析，可明显得出其对于变形的影响相对较大，实际变形的减少比例为25%；其二，第二套至第五套方案对比分析，可明显得出该侧板实际厚度逐渐从10mm增加到30mm，实际变形可减少至16%，耗材增加了85%；其三，第六套至第五八套方案对比分析，可明显得出增加了12条不同的布置形式之下横筋板，该横筋板设置并没有将纵梁刚度性增加；其四，第十二套与第三套方案对比分析，可明显得出在增加了1条为8mm垂直纵向筋板后，变形可减少至8.1%；第十三套与第十二套方案对比分析，可明显得出其上下板的实际厚度逐渐从10mm逐渐减到8mm。如图10所示，两侧板的厚度为10mm，纵筋板为8mm，上下板的厚度为8mm。把优化后纵梁的模态及应力做出对比分析，其最大的等效应力即为3.196MPa，可符合于相关标准。如图11所示，沿着Z轴各个阶模态的频率相比较于初始设计较高，足以证明该动态的刚度性得以提高。
3、结语
综上所述，为了能够更好地进行横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构优化性设计，就需相关设计技术人员能够积极投身于实践探索当中，以积累更多地实践经验，构思出不同地结构设计方案，从中进行必选分析，以能够择取到最佳地结构优化性设计方案，提高横梁的倒挂式该种激光的切割机总体结构设计专业化水准。
参考文献
[1]濮雍，周鹏飞，郭柏林，冯瑞年，王泽军，陈龙，等.一种激光切割机横梁的优化设计方法[J].锻压装备与制造技术，2017，52（04）：202-204.
[2]王猛，邝泳聪，洪海生，梁经伦，刘山和，等.HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计[D].湖北省机械工程学会设计与传动专业委员会学术年会，2017，28（10）：164-166.
[3]金俊尉，李树金，罗贵长，何纯贤.横梁倒挂式激光切割机的结构优化设计[D].南京航空航天大学，2016，31（12）：221-223.
（作者单位：东莞市恒好激光科技有限公司）