铣车复合加工中心直驱摆头动力刀架支架轻量化设计

摘要

铣车复合加工中心是中高端机床的一种，以高精度、高效率、高速度为特征。直驱摆头动力刀架是铣车复合加工中心的关键性功能部件，其性能的高低对机床的几何精度、加工质量及效率产生直接的影响。刀架支架是直驱摆头动力刀架上最值得进行优化设计的部分，因为其它主要部件主轴电机和力矩电机都是外购的通用件。 课题来源于 2010 年“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项中的子课题立式铣车复合加工中心的研制（编号：2010ZX04001-032）。 本文利用拓扑优化和有限元静动态分析相结合的方法，对支架进行了结构轻量化设计。第一步建立支架的有限元模型，对其进行静动态分析，得到设计的基本参数。然后采用拓扑优化的方法进行优化设计，得到了新支架结构设计方案。对新方案进行静、动态分析。分析结果表明：优化后的支架模型静动态特性基本不变，质量降低了 22%，达到了优化目标。本文的主要研究内容如下： （1）使 用 Solidworks 对 刀 架 支 架 进 行3D 建 模 ， 并 使 用 ANSYS Workbench14.0作静态特性分析，得到在不同摆角下最大变形量和最大应力，确定了极限工况。 （2）对刀架支架模型进行模态分析，得到其前 6阶固有频率，并对各阶振型进行了分析。在模态分析的基础上，对刀架支架进行谐响应分析，得到在激振力作用下的幅频特性曲线图。 （3）对刀架支架进行了拓扑优化，得到新的拓扑图案，为支架的优化设计提供了设计参照。 （4）建立新的刀架支架模型，并对新模型进行静动态分析，如果不符合设计要求就修改模型，直到达到设计要求。最终建立了合乎要求的刀架支架新模型。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题研究的背景意义

1.3 国内外研究现状

1.4 铣车复合加工中心和动力刀架发展现状

1.5 本文的主要研究内容

1.6 本章小结

第2章 刀架支架静力分析

2.1 有限元静力分析的方法

2.2 ANSYS Workbench 14.0 简介

2.3 支架承受的载荷力计算

2.4 支架有限元模型的建立

2.5 施加边界条件和载荷并求解

2.6 静力分析结果

2.7 本章小结

第3章 刀架支架模态分析及谐响应分析

3.1 刀架支架模态分析

3.2 刀架支架谐响应分析

3.3 本章小结

第4章 刀架支架的拓扑优化

4.1 拓扑优化概述

4.2 HyperWorks2017简介

4.3 刀架支架的拓扑优化

4.4 本章小结

第5章 刀架支架的优化设计及结果分析

5.1 建立新的几何模型

5.2 对新模型进行静力分析

5.3 对新支架作模态分析

5.4 对新支架作谐响应分析

5.5 对比分析

5.6 小结

结论与展望

参考文献

致谢

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