DL-20MST数控机床关键零部件结构优化设计

摘要

随着现代制造行业的迅猛发展，数控机床正向着高速、高精和高效方向发展。而数控机床的关键零部件的结构特性直接影响数控机床的加工精度及工作稳定性，因此零部件的设计成为数控机床制造领域研究的重点。为此，本文围绕国家科技重大专项“汽车发动机柔性自动化生产线创新平台”的数控机床的功能要求，以提高机床性能为目标，研究数控机床关键零部件的结构优化设计技术，为高档数控机床的设计提供理论依据。
　　本文以DL20-MST数控机床为研究对象，采用有限元分析法对机床的零部件进行动静态特性分析，寻找机床零部件的薄弱环节。依据有限元分析结果对关键零部件进行基于响应面法的目标驱动尺寸优化，探讨机床结构的轻量化设计技术。同时在此基础之上对数控机床关键零部件进行基于密度法的拓扑优化设计，寻找最优的零部件结构形式。
　　首先，依据DL-20MST数控机床的结构特点，提出适用于数控机床的有限元分析前处理方法，包括机床关键零部件网格划分，约束、载荷的施加以及接触面的设置等。通过对数控机床的实际工作情况的分析，在零部件之间设置合理的约束和载荷条件，模拟现场工况，创建数控机床关键零部件以及整机的有限元分析模型。
　　其次，利用有限元分析的方法进行数控机床动静态特性分析研究。根据静力学理论，对数控机床关键零部件进行静态特性分析，获得静载荷作用下零部件的位移和应力云图，研究零部件各处的变形和应力情况。采用模态分析的方法对关键零部件进行动态特性分析，研究零部件的低阶固有频率、振型和数控机床整机的振动特性，为下文的结构优化分析提供参考。
　　第三，研究响应面法和目标驱动优化设计方法，提出基于ANSYS将两方法结合的数控机床关键零部件尺寸优化设计方法。通过基于灵敏度分析的方法找到对零部件结构性能影响较大的设计尺寸，然后以减轻重量为目的进行基于响应面法的目标驱动优化设计，寻找零部件的最优设计尺寸，实现数控机床关键零部件的轻量化设计。此外，对优化后结构的性能改善情况进行了分析。
　　第四，研究基于变密度法的连续体拓扑优化设计的方法，将连续体结构拓扑优化方法应用到数控机床关键零部件的轻量化设计中。分析数控机床关键零部件的结构布局情况，基于变密度法在Optistruct平台上对数控机床的关键零部件进行拓扑优化设计，研究零部件最合理设计结构和最理想材料布局情况，并提出机床关键零部件的结构改进意见，提高数控机床关键零部件的设计水平。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文课题来源和选题背景

1．2 数控机床简介

1．3 结构优化国内外发展概况

1．4 选题意义及主要研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

2 有限元分析的前处理

2．1 切削力计算

2．2 有限元分析的前处理

2．2．1 有限元模型

2．2．2 材料属性

2．2．3 网格划分

2．2．4 施加载荷

2．2．5 施加约束

2．2．6 接触面的处理

2．3 本章小结

3 动静态特性分析

3．1 分析思路

3．1．1 静力学分析

3．1．2 动力学分析

3．2 关键零部件的动静态特性分析

3．2．1 主轴箱的动静态特性分析

3．2．2 滑板的动静态特性分析

3．2．3 床鞍的动静态特性分析

3．2．4 床身的动静态特性分析

3．3 本章小结

4 基于响应面法的目标驱动优化设计

4．1 基本思想

4．1．1 响应面法的理论基础

4．1．2 目标驱动优化设计流程

4．2 关键零部件优化设计

4．2．1 下床鞍的优化设计

4．2．2 主轴箱的优化设计

4．2．3 床身的优化设计

4．3 本章小结

5 基于变密度法的拓扑优化设计

5．1 基本思想

5．1．1 变密度法的基础理论理论

5．1．2 Optistruct平台拓扑优化流程

5．2 关键零部件拓扑优化

5．2．1 床鞍拓扑优化

5．2．2 滑板拓扑优化

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢