数控转塔冲床横梁动力学分析及优化设计

摘要

数控转塔冲床是一种加工多孔薄板的冲裁设备，横梁是数控转塔冲床的送料机构，其动态响应性能直接关系到送料的准确性，同时也影响板材的加工精度和送料速度，为了提高数控转塔冲床横梁动态响应能力，降低制造成本，需要对现有横梁进行优化设计。本文以数控转塔冲床横梁结构为研究对象，以有限元理论为基础，以HyperWorks软件为工具，对横梁进行了静动态特性分析与优化设计，以下是本论文的主要工作及成果:
　　(1)利用SolidWorks简化了三维CAD模型，基于单自由度分量分析法，对直线滚动导轨进行了参数识别，最终建立了包含导轨结合面的横梁有限元模型，并与实验结果进行了对比，固有频率最大误差为6.8％，模态振型基本一致，验证了有限元模型的正确性。
　　(2)对X轴溜板位于五个不同位置时的静动态特性进行了计算与分析，综合模态与静力学分析结果:当X轴溜板位于位置一时，横梁的固有频率最低;静刚度较低;且在最大加速度1.2g时，横梁抵抗变形的能力也较差。故选定位置一进行后续的优化设计。
　　(3)本文提出了一种新的横梁结构多目标拓扑优化设计方法，避免了传统的单目标优化设计方法无法同时考虑多个目标的问题。并根据拓扑优化结果对横梁进行结构改进设计，结果表明，在横梁质量基本保持不变的情况下，横梁静刚度提高了17.8％，一阶固有频率增加了4.9％，优化效果显著。
　　(4)将网格变形技术应用到横梁结构的轻量化优化设计中，建立了以结构壁厚和结构形状同时作为设计变量的网格参数化有限元模型，基于拉丁超立方采样、相对灵敏度分析和Kriging近似模型建立了横梁结构优化的代理模型以代替现有的有限元仿真模型，并采用遗传算法进行优化设计。优化结果表明:在保持横梁最大变形、静刚度以及一阶模态频率基本不变的情况下，横梁总质量减少了58Kg(5.9％)。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 结合面特性研究

1．2．2 结构优化设计方法研究

1．3 研究内容和方法

第二章 横梁有限元建模仿真

2．1 有限元法基本理论及HyperWorks简介

2．1．1 有限元法基本思想

2．1．2 模态分析基本理论

2．1．3 HyperWorks软件介绍简介

2．2 几何模型建立与网格划分

2．2．1 数控转塔冲床工作原理

2．2．2 几何模型的建立

2．2．3 网格划分

2．3 连接方式及边界条件的确定

2．4 直线导轨结合面建模

2．4．1 结合面参数识别

2．4．2 结合面有限元建模

2．5 横梁静动态特性分析

2．5．1 数值模型的验证

2．5．2 横梁数值模态分析

2．5．3 横梁静力学分析

2．6 小结

第三章 多目标拓扑优化设计

3．1 拓扑优化基本方法

3．2 加权欧氏距离法

3．3 多目标拓扑优化目标函数

3．3．1 静态多刚度拓扑优化模型

3．3．2 模态频率拓扑优化模型

3．3．3 同时考虑静动态性能的多目标拓扑优化目标函数

3．4 多目标拓扑优化结果分析

3．5 结构改进设计及分析

3．6 小结

第四章 网格参数化建模与轻量化优化

4．1 基于网格变形技术的模型参数化

4．1．1 HyperMesh中HyperMorph功能

4．1．2 横梁结构网格参数化的实现

4．2 灵敏度分析基本理论

4．2．1 模态灵敏度分析理论

4．2．2 静态灵敏度分析理论

4．3 横梁结构优化数值代理模型的建立

4．3．1 试验设计

4．3．2 相对灵敏度分析

4．3．3 近似方法

4．3．4 优化设计

4．4 小结

第五章 总结

5．1 全文总结

5．2 研究展望

致谢

参考文献