基于有限元方法的超硬工具磨床床身分析设计与优化

摘要

计算机技术的快速发展使得有限元分析在机械设计与研究中得到了广泛的应用。在机床设计与制造领域，运用计算机动力学仿真与CAE技术可以在机床开发试制之前对其零部件的工作情况和各项性能展开分析，通过与有限元方法的结合有效地对机床性能进行分析与优化。
　　本文以影响超硬工具磨床整体刃磨精度的大型部件磨床床身为研究对象。运用CAE和有限元方法对床身进行静态结构与动态特性的分析并对其内部结构进行优化。在使用CAD软件Solidworks对床身进行实体建模后将模型导入计算机辅助软件AnsysWorkbench进行有限元分析。在静态分析过程中对床身进行了受力分析与载荷计算。经过运算，最终得到了床身结构的位移云图与应力分布云图，分析了床身在极限加工条件下的最大位移与应变情况。在对床身进行模态分析过程中，对其前八阶模态振型进行描述，分析了床身的最大振型产生的原因得到了床身工作时整体薄弱环节，从而为实现对磨床床身的结构优化提供了有价值的理论依据。
　　在对床身进行结构优化过程中，根据其自身特点，通过静动态特性综合考量决定将原有米字型筋板改为十字型。随后对影响床身性能的结构参数:床身侧壁厚度，筋板高度，筋板厚度进行固有频率灵敏度分析，适当地降低了三项结构的参数值，并在床身最薄弱部位添加两条加强筋。再次进行性能分析并与改进前进行对比，发现其静态特性中，床身总体变形量以及各个方向变形量均有所增加从而降低了床身的刚度，但其动态性能则保持较好，因此在拓扑优化中，着重对提升床身结构刚度进行优化设计。
　　全文通过有限元方法的设计与优化，最终得到了既保证整体刚度与结构性能，又降低自身重量、节约建造成本的床身结构优化方案。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外精密加工研究现状

1．2．2 国内外机床结构优化的研究现状

1．3 本课题的意义

1．3．1 超硬工具磨床简介

1．3．2 研究的意义

1．4 论文的主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 床身结构有限元分析与模型建立

2．1 CAE技术简介

2．2 有限元方法的基本原理

2．3 有限元方法的应用

2．3．1 有限元方法的发展与基本应用

2．3．2 有限元法在结构分析中的应用

2．4 有限元分析软件的选择

2．4．1 Ansys workbench概述

2．4．2 建模分析的基本过程

2．5 建立磨床床身的实体模型

2．5．1 CAD实体模型软件

2．5．2 磨床床身基本参数的确定与建模

2．6 建立磨床床身的有限元模型

2．6．1 模型的导入

2．6．2 单元属性的设定

2．6．3 网格的划分

2．7 本章小结

第三章 超硬工具磨床床身静态结构分析

3．1 Ansys Workbench中线性静态结构的分析流程

3．2 施加载荷与边界条件

3．2．1 载荷计算

3．2．2 施加载荷和边界条件

3．3 模型求解与结果后处理

3．3．1 模型求解

3．3．2 后处理及计算结果的分析

3．3．3 床身结构应力分析

3．4 本章小结

第四章 超硬工具磨床床身结构动态特性分析

4．1 模态分析基本理论

4．2 模态分析基本步骤

4．2．1 几何体与质点

4．2．2 接触区域

4．2．3 分析类型

4．2．4 载荷和约束

4．2．5 求解模型

4．3 床身模态分析的计算结果

4．4 模态分析结果

4．5 本章小结

第五章 超硬工具磨床床身结构优化

5．1 磨床床身结构动态设计理论与优化设计方法

5．1．1 结构动态设计理论

5．1．2 结构动态优化设计方法

5．1．3 有限元法在磨床床身结构动态优化设计中的应用

5．2 床身结构选型优化设计

5．3 床身的灵敏度分析与结构改进

5．3．1 结构的动态灵敏度

5．3．2 磨床床身的灵敏度分析

5．3．3 磨床床身的结构改进与测试

5．4 床身结构拓扑优化

5．4．1 结构拓扑优化方法

5．4．2 在拓扑优化中有限元模型的建立与结果验证

5．5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录 研究生期间取得研究成果

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