SZJY-14加工中心立柱特性分析及拓扑优化

摘要

数控机床在制造业中起着举足轻重的作用，而加工中心作为加工效率最高的数控机床之一，已大范围应用于日常的生产制造中。为了满足市场需求，提高企业经济效益，加工中心整机和关键结构的优化设计显得十分重要。立柱作为加工中心的主要支撑件，其良好的静、动态性能能保证加工中心整体的加工精度。传统的优化设计主要依靠经验来完成，很大程度上制约了加工中心性能的提升。目前，依靠优化设计理论提升关键结构的静、动态性能已成为优化加工中心的主要途径。
　　本文在对有限元分析和结构优化设计方法的分析和总结基础上，以SZJY-14型加工中心立柱结构为研究对象，进行了以下方面的研究：
　　首先，完成了立柱三维模型的建立，工况选取，切削力计算和网格划分等前期准备工作。利用有限元方法对立柱结构进行了静、动态分析，找到立柱结构的薄弱环节，并提出了两种优化设计方法。
　　其次，根据基于灵敏度分析的优化设计理论，对立柱结构进行优化。利用ANSYS软件对立柱结构主要特征尺寸进行修改，根据优化结果建立三维模型，并进行有限元分析。结果显示，在保证静动态性能基本不变的同时，立柱结构减重8.3%。
　　最后，依据基于变密度法的拓扑优化设计方法及理论，完成了对立柱结构的拓扑优化设计。本文提出了三种优化方案，利用 HyperWorks软件得到了三种优化结果，并选取传力路径最佳的结果进行模型建立。对模型以二维板壳单元为基本单元再次进行拓扑优化，结果得到筋板的最佳传力路径。综合拓扑优化结果，建立立柱结构优化模型，并进行有限元分析。分析结果显示，静态性能基本不变，动态性能提升10.7%，减重13.1%。
　　本文提出的两种结构优化设计方法对SZJY-14型加工中心立柱结构优化效果明显，解决了原结构的笨重和性能不足等问题；同时本文采用的两种优化设计方法可以引用到加工中心其他结构的优化设计中。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 课题的研究现状与发展趋势

1.3 课题的研究方法与内容

第2章 有限元分析和结构优化基本理论

2.1 有限元方法

2.2 结构优化

2.3 连续体拓扑优化

2.4 连续体拓扑优化方法

2.5 拓扑优化中数值不稳定现象

2.6 本章小结

第3章 立柱结构有限元分析

3.1 立柱结构三维模型的建立

3.2 SZJY-14型加工中心工况选取和载荷计算

3.3 立柱结构静态分析

3.4 立柱结构模态分析

3.5 本章小结

第4章 立柱结构优化

4.1 结构优化理论

4.2 结构优化的数学模型

4.3 结构优化

4.4 本章小结

第5章 立柱结构的拓扑优化

5.1 拓扑优化软件和流程

5.2 拓扑优化模型建立

5.3 立柱结构拓扑优化前处理

5.4 立柱结构拓扑优化

5.5 本章小结

结论

总结

展望

参考文献

致谢

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