磨床头架的结构分析及优化设计

摘要

磨床的头架是磨床的关键部件，其动态特性对磨床的性能有着重要的影响。对磨床的关键部件进行动态分析及结构优化设计对提高的磨床性能是非常重要的。 本文首先根据文献资料以及与设计工程师探讨，分析总结了磨床头架的设计准则，并针对CNC8312全数控凸轮轴磨床的头架建立动力学模型；然后利用有限元仿真软件ANSYS对头架进行模态分析及谐响应分析，在此基础上结合设计准则对其进行结构优化设计，利用ANSYS的优化模块对CNC8312全数控凸轮轴磨床的头架进行优化设计，先采用单步法(Single Run)法对磨床头架的初始设计进行求解，获得初始设计值；然后采用子问题法(Sub-Problem)法进行优化，求出一个最优解；再以最优解为基础，用一阶法(First-Order)法进一步优化。 在对CNC8312全数控凸轮轴磨床头架进行动态分析及优化设计的基础上，提出了一种磨床头架的改进结构，再对新结构进行仿真分析。仿真结果表明，在结构的几何尺度、约束和载荷条件相同的情况下、改进结构的顶尖中心振动位移仅为传统设计的1/4，结构的动态性能有明显改进。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1机床结构设计动态

1.2设计过程的数字化

1.2.1计算机辅助机床概念设计

1.2.2参数化、变量化的CAD建模

1.2.3文件、资料等的计算机处理

1.2.4用有限元分析进行数控机床动态优化设计

1.2.5数字仿真技术的大量采用

1.3机械结构动态设计研究

1.3.1机械结构的动力学建模

1.3.2机械结构的动力学模型修正

1.3.3机械结构的优化设计

1.4课题的提出及论文的结构体系

1.4.1课题的提出和意义

1.4.2论文研究的主要内容和结构系统

1.5本章小结

第二章磨床头架的结构设计

2.1机床设计的基本要求

2.2机床设计的步骤

2.3机床总体布局

2.4磨床的系列

2.5磨床的型谱

2.6磨床的技术参数

2.6.1.磨床的主参数

2.6.2磨床一般技术参数

2.6.3一般技术参数的确定

2.7磨床头架设计的基本要求

2.7.1磨床头架主轴系统设计

2.8磨床头架传动系统设计

2.9本章小结

第三章磨床头架结构的动态分析

3.1机械结构分析的基本内容

3.2机械结构分析有限元法

3.2.1机械结构静态分析有限元法

3.2.2机械结构动态分析有限元法

3.2.3 ANSYS的模态分析

3.2.4 ANSYS的谐响应分析

3.3磨床头架的模态分析及谐响应分析

3.3.1磨床的头架结构及受力分析

3.3.2模型的建立与单元选择

3.3.2约束与载荷

3.3.3模态分析结果

3.3.4谐响应分析结果

3.4本章小结

第四章磨床头架结构动态优化设计

4.1磨床动力学设计的任务

4.2动态优化设计的基本过程

4.2.1建立结构动力学模型

4.2.2进行结构动态优化设计

4.3磨床的头架结构及受力分析

4.4结构尺寸设计准则

4.5优化设计

4.5.1优化目标

4.5.2优化搜索算法与优化步骤

4.5.3优化变量的选择

4.5.4优化求解过程

4.6结构尺寸、载荷、优化变量

4.7优化结果

4.8本章小结

第五章磨床头架结构改进与仿真分析

5.1改进方案的模态分析

5.2改进方案的谐响应分析

5.3改进方案结构尺寸、载荷、优化变量

5.4改进方案优化设计结果

5.5改进方案评估

5.6本章小结

总结展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加科研及发表的论文

致 谢