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摘 要：随着计算机技术的发展和结构分析与优化软件的普遍应用，机械结构设计已逐渐趋向于数字化设计。特别是在航空航天、汽车、造船及国防兵器等装备制造业，以有限元法为代表的数字化结构分析、设计与优化手段己得到广泛应用。机床支承件结构设计的目的是以最低的成本获得性能最佳的支承件结构，最终提升机床整机的综合性能。由于设计阶段决定了整个产品成本和质量的80%左右，其后的改进和优化措施影响有限，所以设计对于产品的重要性不言而喻。
关键词：支撑件；结构设计；方法
1.支承件结构设计方法
支承件结构设计方法主要有三种：经验类比法和力学方法和数字化设计方法。
1.1经验类比法
经验类比法是一种改良性质的传统设计方法，便捷而实用，但需要以大量积累的经验为基础。设计人员对已有机床支承件进行小范围的改进或者根据类似机床支承件结构提出设计方案，设计全新的支承件。类比法不是简单的复制和模仿已有的结构设计，作为一种设计方法，它的成功通常离不开力学理论的分析、校核和大量的模型试验及实物试验的验证。类比法主要适用于床身等铸造大件的设计。
1.2力学方法
力学设计方法主要针对机床的整体刚度，利用力学理论（如材料力学、结构力学和弹性力学等）对机床进行刚度设计。通过支承件的合理布局，减小其所受弯矩和扭矩，对支承件进行应力应变的物理性能分析。进而确定支承件材料，整体结构形式，设计参数及筋板的布置形式。通常力学设计方法同样还需较多的试验验证和结构改进。相对于类比法，力学方法已表现出其优越性，走出了模仿的阶段，设计自主性得到了提高。力学设计方法主要用于机床支承件焊接结构的设计。
1.3数字化设计方法（有限元法）
数字化设计属于计算机辅助分析（CAA）和辅助设计（CAD）的范畴。当前，有限元法是最具有代表性和应用范围最广的数字化设计方法。在进行机床支承件的结构设计时，有限元法集结构性能分析、结构拓扑优化和尺寸优化于一体，几乎贯穿了从概念设计到性能验证的全过程。
类比法和力学方法等传统设计方法由于在进行分析和判断时存在大量的主观经验、近似和简化操作，造成准确性不足；由于资金、时间和试验的限制以及反复“试验一改进设计一再试验”的繁琐过程造成的庞大工作量，而且形成的设计方案往往只是可行方案，而非最优方案。而数字化设计方法借助于计算机工具和有限元软件，进行支承件结构设计时的几乎所有工作，如建模、优化、性能分析和对比都在计算机上完成，只需做少量的试验即获得支承件的最优设计方案，其优势是传统设计方法无法比拟的。
2.支承件结构设计
设计的初始阶段（概念设计）在很大程度上有决定了设计阶段的大部分内容。在机床概念设计阶段，时间限制和信息不确定性等给结构设计带来了困难。通常，根据机床规格给出的几何限制和功能要求可以大致确定机床的布局形式、支承件的几何尺寸和结构形式。
2.1支承件结构性能分析
机床及其支承件的结构性能分析是结构设计和结构优化的必要环节。进行支承件结构设计时，通过性能分析可以判断设计方案的性能指标是否满足设计要求；进行支承件结构优化设计时，原方案的性能分析结果，如位移（刚度）、固有频率，除了可用于优化方案性能对比和检验外，还可为优化过程中的优化设置提供参考。现阶段支承件结构分析类型主要有静态特性分析、动态特性分析和热特性分析。机床结构性能分析包括整机性能分析和支承件性能分析。用于整机分析的模型是包括各个支承件和连接结构的装配体，一般用于考察机床的总体性能。进行机床整机性能分析的目的是更全面地了解其各项性能和状态，用于性能验证和检验，或者服务于结构优化和改进。
整机分析虽然能够全面反映机床的性能和状态并进行复杂的仿真和模拟，但由于模型庞大，设置复杂和对计算机硬件的要求较高等原因，在进行支承件单件分析就可满足要求的情况下，不建议进行整机分析。支承件分析一般指单个支承件的或带有部分被连接件的支承件结构性能分析，多用于机床支承件结构设计和优化改进。
2.2支承件结构优化
传统的结构优化以结构分析为基础和主要内容，而且掺杂了较多的主观因素。其优化过程为：原方案结构分析一发现薄弱环节一改进设计一结构分析……如此反复循环，直到改进方案满足要求。而现代结构优化指数值结构优化，是最优化技术和有限元法相结合的产物。它借助于计算机及结构优化软件，以数学规划为理论基础，结合力学分析方法，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优数学理论，在给定的约束条件下找到满足设计目标的最佳设计方案。其优化过程为：结构分析一搜索（结构设计、分析和优化）一最优设计。其中搜索阶段的设计、分析和优化为计算机自动完成，它对某种设计方案进行结构分析和对比，判断是否达到设计目标，若达到，则该设计方案输出为最优设计方案；若未达到，则继续按照某种规则进行设计方案修改和分析对比，直到找到满足设计目标的最优设计。
2.2.1结构优化数学模型
设计变量、目标函数和约束条件为结构优化设计的三要素。其中设计变量为白变量，它在优化过程中发生变化导致设计对象结构及其性能的改变；目标函数为从变量，是关于设计变量的函数；约束条件为优化过程必须遵守的前提条件，如某些性能要求。
结构优化设计的标准数学模型如下：
最小化：
f（X）=f（x1，x2，…xn）
约束条件：
gi （X）≤0， j=1，…，mhk （X）=0， k=1，…，mhXL≤X≤XU
式中，f（X）是目标函数，如结构质量、位移等；gi （X）和hk （X）为约束函数，如静动态刚度、强度等；X=x1，x2，…，xn是设计变量，Xu和XL为X的上下限，其中上角标U指Upper Limit，L指Lower Limit。
2.2.2结构优化方法
现阶段结构优化方法主要有数学规划法和准则优化法，它们与非线性规划法以及线性和非线性相结合的混合法同属传统优化设计方法。
2.2.3结构优化类型
结构优化一般分为四种类型或者说由难到易的四个阶段，分别为结构类型优化、拓扑优化（包括整体与局部）、形状优化和尺寸优化。它们分别对应结构设计的四个不同阶段，即总体设计、概念设计、构型设计和详细设计，如图2.1所示。现阶段结构优化技术正向着两个方向发展：细化和综合。一方面，对于某种优化类型，优化过程划分为更多的阶段，以求获得更精确的优化结果。另一方面，优化类型和阶段的划分变得越来越模糊，正向着多类型和多层次综合优化的方向发展。
进行机床支承件结构优化时，一般拓扑和形状优化之间并没有严格区分开，相应的支承件结构设计阶段通常也合并为结构构型阶段和详细设计阶段。
2.3 支承件轻量化设计
轻量化设计体现了绿色、经济和节能的现代制造技术要求。随着机床加工技术的发展，机床的高速度、高精度和绿色制造等特点要求机床支承件必须具有较高的刚度和较小的质量。机床支承件的轻量化设计是解决这一问题的重要途径。轻量化的发展方向主要有两个：结构轻量化和材料轻量化。前者主要通过支承件结构优化设计来实现。近年来基于自然界轻质高效生物结构的仿生结构在支承件轻量化设计中的应用成为一个亮点。后者主要通过选用强度高而质量轻的新型材料来实现，如铝合金、高强度钢、工程塑料、泡沫金属、复合材料和点阵材料等。
结论
高速度、高精度、复合化、柔性化、智能化、绿色制造将成为未来机床行业发展的主要方向。高速、高精和绿色制造要求机床支承件具有质量小而刚度高的特点，而支承件的轻量化结构设计是实现这一要求的重要途径。
参考文献
[1]陈心昭，权义鲁.现代实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].DynoMediaInc.，2006.
关键词：支撑件；结构设计；方法
1.支承件结构设计方法
支承件结构设计方法主要有三种：经验类比法和力学方法和数字化设计方法。
1.1经验类比法
经验类比法是一种改良性质的传统设计方法，便捷而实用，但需要以大量积累的经验为基础。设计人员对已有机床支承件进行小范围的改进或者根据类似机床支承件结构提出设计方案，设计全新的支承件。类比法不是简单的复制和模仿已有的结构设计，作为一种设计方法，它的成功通常离不开力学理论的分析、校核和大量的模型试验及实物试验的验证。类比法主要适用于床身等铸造大件的设计。
1.2力学方法
力学设计方法主要针对机床的整体刚度，利用力学理论（如材料力学、结构力学和弹性力学等）对机床进行刚度设计。通过支承件的合理布局，减小其所受弯矩和扭矩，对支承件进行应力应变的物理性能分析。进而确定支承件材料，整体结构形式，设计参数及筋板的布置形式。通常力学设计方法同样还需较多的试验验证和结构改进。相对于类比法，力学方法已表现出其优越性，走出了模仿的阶段，设计自主性得到了提高。力学设计方法主要用于机床支承件焊接结构的设计。
1.3数字化设计方法（有限元法）
数字化设计属于计算机辅助分析（CAA）和辅助设计（CAD）的范畴。当前，有限元法是最具有代表性和应用范围最广的数字化设计方法。在进行机床支承件的结构设计时，有限元法集结构性能分析、结构拓扑优化和尺寸优化于一体，几乎贯穿了从概念设计到性能验证的全过程。
类比法和力学方法等传统设计方法由于在进行分析和判断时存在大量的主观经验、近似和简化操作，造成准确性不足；由于资金、时间和试验的限制以及反复“试验一改进设计一再试验”的繁琐过程造成的庞大工作量，而且形成的设计方案往往只是可行方案，而非最优方案。而数字化设计方法借助于计算机工具和有限元软件，进行支承件结构设计时的几乎所有工作，如建模、优化、性能分析和对比都在计算机上完成，只需做少量的试验即获得支承件的最优设计方案，其优势是传统设计方法无法比拟的。
2.支承件结构设计
设计的初始阶段（概念设计）在很大程度上有决定了设计阶段的大部分内容。在机床概念设计阶段，时间限制和信息不确定性等给结构设计带来了困难。通常，根据机床规格给出的几何限制和功能要求可以大致确定机床的布局形式、支承件的几何尺寸和结构形式。
2.1支承件结构性能分析
机床及其支承件的结构性能分析是结构设计和结构优化的必要环节。进行支承件结构设计时，通过性能分析可以判断设计方案的性能指标是否满足设计要求；进行支承件结构优化设计时，原方案的性能分析结果，如位移（刚度）、固有频率，除了可用于优化方案性能对比和检验外，还可为优化过程中的优化设置提供参考。现阶段支承件结构分析类型主要有静态特性分析、动态特性分析和热特性分析。机床结构性能分析包括整机性能分析和支承件性能分析。用于整机分析的模型是包括各个支承件和连接结构的装配体，一般用于考察机床的总体性能。进行机床整机性能分析的目的是更全面地了解其各项性能和状态，用于性能验证和检验，或者服务于结构优化和改进。
整机分析虽然能够全面反映机床的性能和状态并进行复杂的仿真和模拟，但由于模型庞大，设置复杂和对计算机硬件的要求较高等原因，在进行支承件单件分析就可满足要求的情况下，不建议进行整机分析。支承件分析一般指单个支承件的或带有部分被连接件的支承件结构性能分析，多用于机床支承件结构设计和优化改进。
2.2支承件结构优化
传统的结构优化以结构分析为基础和主要内容，而且掺杂了较多的主观因素。其优化过程为：原方案结构分析一发现薄弱环节一改进设计一结构分析……如此反复循环，直到改进方案满足要求。而现代结构优化指数值结构优化，是最优化技术和有限元法相结合的产物。它借助于计算机及结构优化软件，以数学规划为理论基础，结合力学分析方法，将设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优数学理论，在给定的约束条件下找到满足设计目标的最佳设计方案。其优化过程为：结构分析一搜索（结构设计、分析和优化）一最优设计。其中搜索阶段的设计、分析和优化为计算机自动完成，它对某种设计方案进行结构分析和对比，判断是否达到设计目标，若达到，则该设计方案输出为最优设计方案；若未达到，则继续按照某种规则进行设计方案修改和分析对比，直到找到满足设计目标的最优设计。
2.2.1结构优化数学模型
设计变量、目标函数和约束条件为结构优化设计的三要素。其中设计变量为白变量，它在优化过程中发生变化导致设计对象结构及其性能的改变；目标函数为从变量，是关于设计变量的函数；约束条件为优化过程必须遵守的前提条件，如某些性能要求。
结构优化设计的标准数学模型如下：
最小化：
f（X）=f（x1，x2，…xn）
约束条件：
gi （X）≤0， j=1，…，mhk （X）=0， k=1，…，mhXL≤X≤XU
式中，f（X）是目标函数，如结构质量、位移等；gi （X）和hk （X）为约束函数，如静动态刚度、强度等；X=x1，x2，…，xn是设计变量，Xu和XL为X的上下限，其中上角标U指Upper Limit，L指Lower Limit。
2.2.2结构优化方法
现阶段结构优化方法主要有数学规划法和准则优化法，它们与非线性规划法以及线性和非线性相结合的混合法同属传统优化设计方法。
2.2.3结构优化类型
结构优化一般分为四种类型或者说由难到易的四个阶段，分别为结构类型优化、拓扑优化（包括整体与局部）、形状优化和尺寸优化。它们分别对应结构设计的四个不同阶段，即总体设计、概念设计、构型设计和详细设计，如图2.1所示。现阶段结构优化技术正向着两个方向发展：细化和综合。一方面，对于某种优化类型，优化过程划分为更多的阶段，以求获得更精确的优化结果。另一方面，优化类型和阶段的划分变得越来越模糊，正向着多类型和多层次综合优化的方向发展。
进行机床支承件结构优化时，一般拓扑和形状优化之间并没有严格区分开，相应的支承件结构设计阶段通常也合并为结构构型阶段和详细设计阶段。
2.3 支承件轻量化设计
轻量化设计体现了绿色、经济和节能的现代制造技术要求。随着机床加工技术的发展，机床的高速度、高精度和绿色制造等特点要求机床支承件必须具有较高的刚度和较小的质量。机床支承件的轻量化设计是解决这一问题的重要途径。轻量化的发展方向主要有两个：结构轻量化和材料轻量化。前者主要通过支承件结构优化设计来实现。近年来基于自然界轻质高效生物结构的仿生结构在支承件轻量化设计中的应用成为一个亮点。后者主要通过选用强度高而质量轻的新型材料来实现，如铝合金、高强度钢、工程塑料、泡沫金属、复合材料和点阵材料等。
结论
高速度、高精度、复合化、柔性化、智能化、绿色制造将成为未来机床行业发展的主要方向。高速、高精和绿色制造要求机床支承件具有质量小而刚度高的特点，而支承件的轻量化结构设计是实现这一要求的重要途径。
参考文献
[1]陈心昭，权义鲁.现代实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]尚晓江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].DynoMediaInc.，2006.