数控车削中心复杂零件结构设计方法研究

摘要

随着现代工业和科学技术的发展，机床产品也日益向着高速、高效、高精度和自动化方向发展，对机床结构件的性能要求也越来越高。而现阶段的机床结构设计多采用传统的设计方法，缺乏理论依据，难以满足机床产品发展的具体要求，所以采用现代结构设计方法就显得具有非常重要的意义。
　　 本文主要研究机床复杂零件结构设计方法，将拓扑优化理论与结构设计相结合，形成一套全新的结构设计方法。以数控车削中心床身及滑板为例对车削中心复杂零件进行了结构设计，取得了良好的设计效果，为机床复杂零件的结构设计提供了新的方法和设计依据。本文所做的主要工作有以下几个方面：
　　 (1)首先提出一种结构设计的新方法，将拓扑优化理论与结构设计相结合，形成一套以功能约束、概念模型、结构设计三部分为主体的结构设计方法。并详细分析了结构设计方法中功能约束的确定、概念模型的形成、结构设计三个主要步骤。
　　 (2)对数控车削中心的加工方式、受力特点以及载荷简化规则进行分析，建立床身和滑板的力学模型，为车削中心复杂零件的结构设计提供基础条件。
　　 (3)利用基于拓扑优化的结构设计方法对数控车削中心床身进行结构设计。通过对床身功能约束的分析建立床身截面的拓扑优化模型；利用OptiStruct软件对床身截面进行拓扑优化，根据优化结果建立床身截面概念模型；在结构设计过程中结合结构优化设计理论提取床身设计的关键参数，并对其进行优化以得到最终设计方案；将最终设计方案与原始方案进行比较分析，取得了良好的设计效果，验证了基于拓扑优化的结构设计方法在机床固定部件设计领域的可应用性。
　　 (4)利用基于拓扑优化的结构设计方法对数控车削中心滑板进行结构设计。通过功能约束的分析、概念模型的建立、以及滑板结构设计，得到了滑板的结构设计创新方案；将创新方案与原始方案进行比较分析，取得了良好的设计效果，验证了基于拓扑优化的结构设计方法在机床运动部件设计领域的可应用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究意义

1.2 国内外机床结构设计研究现状

1.2.1 国内机床结构设计研究现状

1.2.2 国外机床结构设计研究现状

1.2.3 机械结构设计中的拓扑优化

1.3 本论文的主要研究内容

2 基于拓扑优化的结构设计理论基础

2.1 有限元分析的基本理论

2.2 拓扑优化的基本理论

2.2.1 结构拓扑优化原理和方法

2.2.2 变密度法拓扑优化数学模型

2.3 基于拓扑优化的结构设计方法研究

2.3.1 功能约束

2.3.2 概念模型

2.3.3 结构设计

2.4 本章小结

3 数控车削中心力学模型

3.1 数控车削中心切削载荷

3.2 数控车削中心联接面载荷简化规则

3.2.1 滑动导轨的载荷分布简化方法研究

3.2.2 直线滚动导轨的载荷分布特点研究

3.2.3 螺栓组联接部分载荷简化方法研究

3.3 数控车削中心力学模型

3.3.1 床身力学模型

3.3.2 滑板力学模型

3.4 数控车削中心床身及滑板有限元分析

3.4.1 床身有限元分析

3.4.2 滑板有限元分析

3.5 本章小结

4 数控车削中心床身结构设计

4.1 床身功能约束

4.2 床身截面概念模型

4.3 床身结构设计

4.3.1 床身方案设计模型

4.3.2 床身结构设计优化模型

4.3.3 床身关键参数的确定

4.4 床身设计方案与原方案的比较

4.4.1 床身静刚度性能比较

4.4.2 床身模态性能比较

4.6 本章小结

5 数控车削中心滑板结构设计

5.1 滑板功能约束

5.2 滑板概念模型

5.3 滑板结构设计

5.4 滑板设计方案与原方案的比较

5.4.1 滑板静刚度性能比较

5.4.2 滑板模态性能比较

5.5 本章小结

结 论

参考文献

附录A 车削中心制造与验收技术要求

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢