CK5225数控车床立柱的有限元分析及优化设计

摘要

数控机床是先进制造技术和先进信息集成技术极为重要的组成部分,是机械加工制造业乃至关系到整个国家建设必不可少的生产工具。现代机械制造工业已经采用工业计算机控制并且集成了柔性化、精度化、智能化的优点，在关系到国家长期发展的装备制造业、国家安全的国防军事工业对高精度数控机床的要求越来越高，需求量越来越大。近年来国内企业采购国产数控机床企业的数量逐年上升，像立式数控车床这样的大型高档数控车床备受企业青睐。但是由于关键零部件结构复杂庞大、整机的吨位很大，制造费用很大。为了保证机床具有良好的加工精度、动态特性、静动态刚度，缩短制造周期减小制造成本，需要在机床的理论设计阶段，对机床进行虚拟装配并对其关键零部件和整机进行进行静动态分析，以便发现其不足之处为后面的优化设计提供依据。
　　本文是基于三维建模软件Solidworks2011和有限元分析软件ANSYSWorkbench的静动态分析和优化设计。对CK5225的立柱进行有限元分析和优化设计，为以后此类机床关键零部件的设计提供经验借鉴和参考。
　　首先根据单位提供的CAD图纸在Solidworks中建立立柱的三维模型，通过中间格式“X-T”格式将其导入ANSYSWorkbench中。计算出CK5225车床在最危险工况条件下车削力的大小，将其分解加载在立柱上，在正确确定约束条件和划分网格后对立柱进行静动态分析。根据静力学分析得来的数据验证了原立柱设计方案在保证加工精度的前提下，立柱的结构还能进行进一步的优化设计；根据动态分析的结果发现立柱的前几阶固有频率不会造成立柱的共振，但是某些频率下立柱会发生一些振动，会给机床的加工精度带来一定的影响，结合立柱的谐响应分析的结果知应对立柱的结构进行改进，增加其动刚度。
　　在静动态分析的基础之上，在Solidworks中对立柱进行参数化建模，以立柱的壁厚、内部三个腔体筋的尺寸、拉伸厚度为设计变量，以立柱的重量、各个方向及综合位移、最大等效应力为优化目标进行优化设计，并将优化后的立柱进行了静动态分析验证。

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Contents

1 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2 立式车床及CK5225数控车床简介

1.3国内外研究现状

1.4本文主要研究内容和目的

1.5本章小结

2 基于Solidworks2011立柱的三维建模

2.1 Solidworks软件简介

2.2 CK5225数控车床立柱的三维建模

2.3本章小结

3 CK5225数控车床立柱的有限元静态分析

3.1 引言

3.2 静力学分析的有限元理论基础

3.3 ANSYS及ANSYSWorkbench简介

3.4 基于ANSYS Workbench立柱的静力分析

3.5本章小结

4 CK5225数控车床立柱的有限元动态分析

4.1 引言

4.2模态分析

4.3 CK5225数控车床立柱的谐响应分析

4.4本章小结

5 CK5225数控车床立柱的优化设计

5.1引言

5.2优化设计的理论基础

5.3 ANSYS Workbench优化设计简介

5.4 基于ANSYS Workbench立柱的优化

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况