桁架型机床支撑件的结构设计和分析

摘要

众所周知，机床运行时的振动对金属切削过程有着破坏性作用。它不仅会使设备的加工精度下降，而且还会影响产品的表面质量，甚至缩短机床的使用寿命。因此，如何减轻机床结构工作时产生的振动和噪声成为了众多学者长期关注并设法解决的问题。
　　本文以机床的重要支撑件立柱为研究对象，为了增强立柱结构静态刚度，并在一定程度上改善其动态特性的表现，文中采用了一种新的结构形式对原立柱进行重新设计。与常规机床立柱结构不同，新设计的机床立柱不再是由普通薄板结构组成，而是采用了单胞结构周期分布的微桁架夹芯板。其主要是利用了桁架结构与点阵夹芯结构拥有较高的比强度、比刚度、低等效密度以及抗冲击等特点。
　　首先，为了确定微桁架夹芯板是否满足机床立柱所需刚度要求，文中建立了三种不同单胞构型的微桁架夹芯板，其单胞模型分别为菱形结构、米字形结构和V字形结构。然后计算出与微桁架夹芯板等质量的普通薄板厚度，并对普通薄板和微桁架夹芯板的抗弯与抗扭性能进行分析比较，结果表明三种不同结构的微桁架夹芯板抵抗弯曲和扭转变形的能力均优于同等重量的普通薄板。
　　然后，再对分别采用微桁架夹芯板结构的立柱和普通薄板结构的立柱进行抗弯与抗扭性能分析比较，直观地对比两者在结构强度上的差异。研究表明，微桁架夹芯板结构能极大地增强立柱竖直方向上的抗扭性能与部分方向上的抗弯性能。此外，微桁架夹芯板立柱的前十阶模态频率较普通薄板立柱有明显的提高。
　　最后，本文还参考声子晶体的振动传输特性，尝试在拥有结构周期分布的微桁架夹芯板中填充一定体积的橡胶材料，然后使用 Abaqus软件对填充橡胶前、后的立柱模型进行模态分析与谐响应分析，研究填充橡胶材料后的立柱在动态响应上的变化，并对橡胶材料赋予不同的弹性模量，分析填充物弹性模量对其振动表现的影响。
　　研究表明，采用微桁架夹芯板结构的立柱能更好地避免机床在低频时发生共振，而且填充橡胶材料后，立柱在相同谐波载荷激励下的振幅响应较填充前有一定程度的改善，并随着填充物弹性模量在某一范围内的增加，振幅位移响应也随之增大。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究背景及意义

1.3 机床减振的研究现状

1.4 周期点阵结构的概述

1.5 本文主要研究思路及内容

2 理论基础部分

2.1 模态分析理论

2.2 弹性波动力学

2.3 频率响应分析

2.4 本章小结

3 周期微桁架夹芯板结构性能分析

3.1 仿真模型的构建

3.2 微桁架夹芯板静刚度性能分析

3.2 微桁架夹芯板动态特性的分析与对比

3.4 本章小结

4 桁架型机床立柱的结构性能研究

4.1 仿真模型的构建

4.2 立柱静刚度的分析对比

4.3 立柱结构的模态仿真分析

4.4 立柱结构的谐响应分析

4.5 填充物弹性模量对立柱动态特性的影响

4.6 材料填充位置差异对立柱动态特性的影响

4.7 本章小结

总结

参考文献

致谢