基于有限元分析的卧式数控车床结构动态优化设计

【摘要】机械加工产品质量要求的提高,对机床结构动态性能也提出了越来越高的要求。在机床设计开发的过程中有必要对重要承载部件进行静刚度和动态性能的分析,并建立整机的精准有限元模型进行优化以提升整机性能。因此,本文使用有限元的方法对数控机床分析,对床身进行结构优化,采用变量化分析的方法对床身进行参数分析和灵敏度分析,依据多目标尺寸优化和拓扑优化的结果确定了床身优化方案,建立含有结合部的整机模型,对整机性能进行了优化。本文以CKL630D卧式床身车床为应用对象,将相关理论进行验证。本文首先对涉及到的基础理论进行阐述。介绍了有限元思想,给出了有限元法运用的方法步骤。并对优化设计的概念和算法进行了列举说明。对车床的具体工况进行分析。计算载荷,包括最大扭矩计算,切削力确定及切削抗力的计算。建立床身力学简化模型,通过理论计算对力学模型进行求解。根据理论计算结果,确定典型工况典型位置。床身是数控机床的主要承载部件,在整机中占有非常重要的作用,床身的静动态特性直接影响整个机床的加工精度。对床身进行三维建模,并运用有限元方法使用分析软件ANSYSworkbench对床身模型进行静力分析和模态分析。由静力分析得到床身在不同工况位置下的强度和刚度。通过模态分析获得床身前6阶模态的固有频率及振型。找出床身薄弱环节,作为床身优化的依据。应用变量化分析尺寸优化方法和拓扑优化方法对床身结构分别进行优化。将肋板尺寸设置为多个参数变量,以参数分析和灵敏度分析结果为依据,对床身进行多目标尺寸优化。再以最小柔度为约束,对床身进行拓扑优化,依据拓扑优化的结果对床身内部肋板进行重新布置并得到新的床身结构。对比评价这两种优化结果,确定床身结构最终方案。考虑结合面的特性对整机进行动力学建模并分析。分别建立导轨结合部和螺栓结合部的等效动力学模型。采用弹簧阻尼单元对结合面进行等效建模,根据赫兹定律和吉村允孝积分法计算得到各结合面参数。通过分析得到考虑结合面影响的整机动态性能。最后对螺栓结合部进行优化,通过改变螺栓布置数量和直径大小使整机动态性能提升。通过优化床身在保持原刚度情况下重量减轻了8.6%,固有频率均有提高。
【作者】魏新；
【导师】郭润兰；黄华；
【作者基本信息】兰州理工大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】有限元；结构优化；变量化分析；拓扑优化；结合面；

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