基于复合材料的加工中心关键结构件设计及多目标质量匹配优化

摘要

现代制造业对机床设备的精度、动态稳定性和热稳定性要求日益提高，而传统铸铁材料越来越不能满足这些要求。在这种情况下，复合材料作为一种新兴材料，因其质量轻、阻尼较高及散热性好等优点，显示出替代铸铁成为机床结构件常用材料的巨大潜力。本文将采用不同的复合材料对加工中心的床身、立柱和工作台进行改进优化设计，并基于质量匹配法对整机动态特性进行优化以提升机床的整体性能。具体的研究内容如下： 首先，以HMC630卧式加工中心床身为研究对象，采用基于“三明治”式的复合结构对其进行改进优化设计，提取关键设计变量并搭建CAD/CAE集成框架，对试验样本点完成响应值计算，建立响应面模型，在此基础上运用iSIGHT软件集成Matlab插件搭建多目标优化框架，完成对复合结构床身质量、变形、低阶固有频率及成本的多目标优化，并进一步对优化后的床身结构进行热态特性分析，研究其热稳定性。 其次，针对复合结构床身中外层钢板与内层混凝土之间结合面刚度较低的问题，进行栓钉连接件设计。通过对单钉连接件的受力机理分析，结合剪力、弯矩及载荷集度之间的微分关系，建立了单栓钉抗剪刚度力学模型。接着，对影响单栓钉抗剪刚度的关键因素进行进一步分析，在此基础上，研究群钉效应下各栓钉平均抗剪刚度的变化及栓钉数目和栓钉间距对群钉效应的影响，为“三明治”式复合结构内外层之间连接件的设计提供理论依据。 然后，针对机床移动件轻质、高强的要求，采用了改进的类蜂窝结构进行立柱、工作台移动件的设计。第一步，为改善传统六边形蜂窝材料在共面方向的承载性能，在六边形蜂窝胞元结构外侧构建非等厚保护壁，形成类蜂窝胞元结构，并通过等效弹性模量计算和有限元仿真进行验证。第二步，通过有限元静动态和散热性能分析，表明改进后的填充结构在确保静动态特性的基础上，减轻了结构件质量，并提高散热性。 最后，基于质量匹配法，研究不同结构件质量对整机动态特性的影响程度，构建了各结构件质量与整机前三阶固有频率间的响应面模型。当各结构件质量同时改变时，通过灵敏度分析并识别关键影响因素，基于iSIGHT平台完成多目标优化，得到整机动态性能最优时床身质量、立柱质量及工作台质量的最佳分布方案。

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第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.2.1 复合材料及其在机床结构中的研究与应用现状

1.2.2 结构优化设计方法及其在机床产品开发中的研究与应用现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 复合结构床身热-力学性能分析及优化设计

2.1 引言

2.2 复合结构床身方案设计

2.3 基于响应面模型的复合结构床身多目标参数优化

2.3.1 设计变量及优化目标选取

2.3.2 响应面模型建立

2.3.3 基于NSGA-Ⅱ算法的复合结构床身多目标优化

2.3.4 复合结构床身优化结果

2.4 复合结构床身热态性能研究

2.4.1 床身热源分析及发热量计算

2.4.2 床身温度场分析

2.4.3 床身热-力耦合分析

2.5 本章小结

第3章 复合结构床身抗剪连接件设计及性能分析

3.1 引言

3.2 栓钉连接件受力机理分析及抗剪刚度计算

3.2.1 栓钉连接件受力机理分析

3.2.2 抗剪刚度计算

3.3 单栓钉连接件参数分析

3.3.1 栓钉长度对剪切刚度的影响

3.3.2 栓钉直径对剪切刚度的影响

3.3.3 基体材料对剪切刚度的影响

3.4 栓钉连接件群钉效应及主要参数分析

3.4.1 群钉效应分析

3.4.2 栓钉数目和排布方式对群钉效应的影响

3.4.3 栓钉间距对群钉效应的影响

3.5 本章小结

第4章 类蜂窝结构力学性能分析及其在机床移动件上的应用

4.1 引言

4.2 类蜂窝结构力学特性分析

4.2.1 类蜂窝结构力学建模与分析

4.2.2 有限元分析验证

4.3 关键移动部件力学分析及参数计算

4.3.1 立柱及工作台力学分析

4.3.2 热特性参数计算

4.4 类蜂窝结构在立柱上的应用

4.4.1 横梁结构设计

4.4.2 立柱结构设计

4.4.3 立柱结构静动态及散热性能分析

4.5 类蜂窝结构在工作台上的应用

4.5.1 工作台结构设计

4.5.2 工作台结构静动态及散热性能分析

4.6 本章小结

第5章 机床整机结构的质量匹配优化设计

5.1 引言

5.2 质量匹配设计方法

5.3 加工中心整机静动态特性分析

5.4 各结构件对整机动态特性的影响

5.4.1 床身质量对整机动态特性的影响

5.4.2 立柱质量对整机动态特性的影响

5.4.3 工作台质量对整机动态特性的影响

5.4.4 同时改变各结构质量对整机动态特性的影响

5.5 质量分布优化

5.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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