机床支承件及固定联接部的结构分析与设计

摘要

随着装备制造业的高速发展，机械加工对机床结构和性能提出更高的要求。固定联接部是机床的重要组成部分，建立合理的固定联接部等效模型是机床结构分析和设计的基础。采用拓扑优化和尺寸优化等现代方法对机床支承件及固定联接部进行设计，大大缩短了开发周期，提高了市场竞争力。本文结合课题需要，对机床支承件及固定联接部进行了结构分析和设计，主要工作如下:
　　(1)分析了机床支承件及固定联接部的结构特征;在总结了机床固定联接部的常见等效模型的基础上，提出螺栓预紧力-接触单元弹性约束等效模型，在接触面处采用接触单元，螺栓中间施加预紧力。
　　(2)分析了立柱典型载荷工况，提出了机床支承件及固定联接部的静态性能评价指标。固定联接部采用预紧力-接触单元弹性约束，建立了立柱的有限元模型，并进行了分析。对影响立柱静态性能计算的单元尺寸、预紧力大小、摩擦系数等进行了灵敏度分析。
　　(3)介绍了机床固定联接部的螺栓分布原则，对固定联接部进行了拓扑优化设计和布置;采用GAP单元建立了基于弹性约束的立柱有限元模型，分别以立柱多工况加权柔度及静动态多目标进行拓扑优化;根据优化结果进行结构模型设计和筋板方案设计，并进行工艺性能改进。
　　(4)提出将支承件的尺度优化评价指标，对立柱外壁板及筋板进行了尺度优化设计;建立了固定联接部的多目标多参数尺度优化模型，通过灵敏度分析，把对目标影响较大的尺寸作为优化设计参数。
　　(5)立柱新方案相对原方案重量减轻5.3％，常用工况、上下极限工况的综合最大变形分别下降了13％、18.7％和17.8％;常用工况、上下极限工况的刚质比分别提高了21.3％、29.9％和28.4％。结果表明:立柱各项静态性能大幅度的提升，而质量降低。立柱新方案前三阶固有频率与原始方案相比变化不大，分别下降了3.3％、0.3％和3.5％，可满足立柱的动态设计要求。通过本文的研究，基本形成机床支承件及固定联接部的轻量化设计方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究目的

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 机床固定联接部特性研究概况

1．2．2 机床支承件精度特性研究概况

1．2．3 机床结构优化设计研究概况

1．2．4 本课题组的相关研究成果

1．3 本文研究方法

1．3．1 有限单元法

1．3．2 结构优化方法

1．4 论文研究的主要内容

2 机床支承件及固定联接部的特征分类与弹性约束建模

2．1 机床支承件固定联接部的特征分类

2．1．1 机床支承件特征分析

2．1．2 机床固定联接部特征分类

2．2 机床固定联接部的弹性约束建模

2．2．1 机床固定联接部的常见等效模型

2．2．2 机床固定联接部的弹性约束模型

2．3 本章小结

3 机床支承件及固定联接部的静态性能计算

3．1 立柱的典型工况分析

3．1．1 立式加工中心参数介绍

3．1．2 立柱典型工况载荷计算

3．2 机床支承件固定联接部的静态精度评价方法

3．3 机床支承件固定联接部的静态计算

3．3．1 立柱有限元建模

3．3．2 立柱接触对的设置

3．4 机床支承件静态计算影响因素灵敏度分析

3．4．1 单元尺寸灵敏度分析

3．4．2 螺栓预紧力灵敏度分析

3．4．3 摩擦系数灵敏度分析

3．5 本章小结

4 机床支承件及固定联接部的结构优化设计

4．1 支承件固定联接部的拓扑优化

4．1．1 固定联接部螺栓分布原则

4．1．2 固定联接部拓扑优化建模

4．1．3 固定联接部拓扑优化求解

4．2 基于弹性约束的机床支承件拓扑优化

4．2．1 支承件拓扑优化建模

4．2．2 支承件拓扑优化求解

4．3 支承件结构模型设计

4．4 支承件筋板方案设计

4．5 支承件工艺性改进设计

4．6 本章小结

5 机床支承件及固定联接部的尺度优化设计

5．1 支承件外壁板及筋板尺度优化设计

5．1．1 尺度设计评价指标

5．1．2 外壁板尺度优化设计

5．1．3 立柱筋板尺度优化设计

5．2 支承件固定联接部尺度优化设计

5．2．1 固定联接部尺寸优化模型

5．2．2 优化参数灵敏度分析

5．3 支承件结构方案对比分析

5．3．1 立柱原方案性能分析

5．3．2 立柱新方案性能分析

5．3．3 立柱方案性能对比

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 有限元分析数据

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢