QYJ-16型卧式加工中心床身结构的静动态特性分析及优化设计

摘要

床身是机床重要的基础支撑部件，机床上众多的重要组件都是以床身为载体而进行安装的。为了保证机床的整体性能及加工精度，作为基础件的床身必须具有良好的抗振性和高刚度。传统的床身设计虽能够满足使用要求，但对于其结构的设计往往过于保守，床身的静动态特性及质量的可优化空间仍然很大。
　　本研究以QYJ-16型卧式加工中心床身为研究对象，在完成床身三维模型构建、铣削力计算、网格划分等一系列工作后，利用有限元法对其进行静动态特性分析。根据分析结果找到床身设计中的薄弱环节，并提出两种改进方法。一是利用元结构的方法对床身筋板结构中的出砂孔的形状及尺寸进行改进，使床身质量减少,同时也改善了原床身设计中静态分析应力集中的问题。在此方法中运用了灰色关联度的理论完成对床身元结构样式的选择，并利用有限元软件ANSYS Workbench对元结构的出砂孔及壁厚的尺寸进行优化，根据优化后的元结构对原床身进行重新建模，并对其进行有限元分析，结果表明床身在静态特性提高，动态特性基本不变的情况下，减重5.02%。另一种方法是利用拓扑优化的方法找出床身在受载的条件下的最优传力路径，根据传力路径对床身筋板的布局进行重新设计，从而实现床身的静动态特性的多目标优化。在此方法中运用了折衷规划法对床身建立了四种拓扑优化的综合目标函数，根据四种综合目标函数利用 HyperWorks软件的OptiStruct版块拓扑出四种床身结构，然后根据拓扑结构完成对床身筋板结构的重建，最后利用响应面的方法对拓扑结构关键尺寸进行优化，优化结果表明床身的静动态特性得到明显的提升，并且床身质量也有所减少。所运用的两种优化方法同样也可以运用于机床其他关键部件的优化设计中。

目录

声明

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 机床结构特性分析与优化技术的研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 卧式加工中心床身结构的静动态特性分析

2.1床身结构特性分析的基本理论

2.2 卧式加工中心床身的有限元模型

2.3 床身的静力分析

2.4 床身的模态分析

2.5 床身的谐响应分析

2.6 本章小结

第3章 基于元结构方法的床身结构的轻量化设计

3.1 床身的元结构

3.2 床身元结构的选型

3.3 元结构的尺寸优化

3.4 优化后床身模型的验证

3.5 本章小结

第4章 床身结构的拓扑优化

4.1拓扑优化技术概述

4.2 折衷规划法介绍

4.3 拓扑优化模型的建立

4.4 多目标拓扑优化

4.5 床身模型的重建

4.6 本章小结

第5章 基于响应面法的床身拓扑结构的尺寸优化

5.1 响应面法的理论基础

5.2 遗传算法理论

5.3 床身响应面模型的建立

5.4拟合优度分析

5.5 床身优化数学模型

5.6 床身优化设计的验证

5.7 本章小结

结论

全文总结

研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文