立式加工中心滚齿轴箱动静态特性分析及优化设计

摘要

机床在国民经济中具有重要地位，机床行业水平在一定程度上反映了一个国家工业水平的高低和综合国力的强弱。随着社会的迅速发展，机床在制造业中的地位也越来越重要。我国是制造业大国，但并非制造业强国，国内机床水平相比国外仍有一定差距。目前，国内机床零部件的设计多为基于经验的结构设计，结构设计完之后制造样机，经过实际加工测试判定所设计结构是否达到设计要求。一方面，此设计模式的设计周期长，且通常设计过于保守，材料利用率低，设计水平局限于设计师的经验。另一方面，在机床设计过程中多注重结构静态特性，对于结构动态特性的考虑往往较少。因此，对于机床动静态特性的考察及将仿真方法应用于结构设计显得尤为重要。
　　本文在总结国内外机床动静态特性分析、振动特性分析及结构设计的研究现状基础上，以CYK-M3加工中心的关键零部件之一滚齿轴箱为研究对象，通过数值仿真和实验测试的结合，对滚齿轴箱进行仿真模态分析、静力分析及拓扑优化设计，具体研究内容如下:
　　首先，利用DH5922动态信号采集分析系统及配套软件对滚齿轴箱进行基于锤击法的模态实验，利用有限元软件进行仿真模态分析，得到滚齿轴箱的前六阶固有频率及模态振型。对比实验与仿真结果，验证了实验结果的可靠性及仿真建模的准确性。
　　其次，利用DH5922动态信号采集分析系统及配套软件对滚齿轴箱进行空运转及切削条件下的振动实验。通过分析振动加速度及振动位移结果，找出空运转及切削两种状态下的主要振源，并针对主要振源，提出相应的减振方案。总结分析机床其他可能存在的振动因素，并分别提出减振方案，为机床减振提供参考。
　　最后，借助HyperWorks仿真分析平台对滚齿轴箱进行结构静力分析，得到第一主应力云图及位移云图。分析得到结构最大应力值及最大应力位置，判定了结构的安全性。分析得到结构最大位移量及出现最大位移的位置，并重点考察了滚齿轴箱前后轴承组中心点处的位移量。静力分析结果为结构优化提供参考。利用OptiStruct后处理软件，以体积最小为优化目标，以滚齿轴箱前后端轴承组中心点处的位移量、最大应力为约束，对滚齿轴箱进行基于SIMP方法的拓扑优化;依据拓扑优化结果，考虑模型的可制造性，重构滚齿轴箱三维模型，并对重构后的模型进行仿真静力分析、模态分析，对比优化前后的结构动静态特性。通过拓扑优化设计实现了结构动静态性能提升基础上的轻量化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状综述

1．2．1 机床结构动静态特性分析

1．2．2 机床结构优化设计

1．2．3 机床振动特性分析

1．3 任务来源及主要研究内容

1．3．1 任务来源

1．3．2 主要研究内容

第二章 立式加工中心滚齿轴箱模态分析

2．1 模态分析理论

2．2 实验模态分析

2．2．1 CYK-M3立式加工中心简介

2．2．2 测试对象

2．2．3 测试原理及装置

2．2．4 测点布置及通道参数设置

2．2．5 测试结果分析

2．3 滚齿轴箱仿真模态分析

2．3．1 仿真模态分析有限元建模

2．3．2 仿真分析过程及结果

2．4 实验结果与仿真结果对比分析

2．5 本章小结

第三章 立式加工中心滚齿轴箱振动特性分析

3．1 机床系统受迫振动基本原理

3．2 空转条件下振动测试

3．2．1 实验方法

3．2．2 实验结果分析

3．3 切削条件下振动测试

3．3．1 实验方法

3．3．2 实验结果分析

3．4 振动分析及相应减振方案

3．5 本章小结

第四章 立式加工中心滚齿轴箱静力分析及优化设计

4．1 滚齿轴箱静力分析

4．1．1 静力分析有限元建模

4．1．2 静力分析步骤及结果

4．2 滚齿轴箱SIMP方法拓扑优化设计

4．2．1 拓扑优化有限元建模

4．2．2 优化结果及模型重构

4．3 结构性能分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与任务