T2120深孔钻镗床基础件的参数化设计与拓扑优化研究

摘要

随着深孔加工技术的发展,深孔机床在深孔加工中起着关键的作用,床身是深孔机床的重要基础件,其自身质量和静动态性能对机床的加工精度和整机动静态性能均有较大影响。原始的深孔加工机床的结构部件多采用比较保守的经验设计,造成结构冗余、粗大笨重等现象,从而影响了机床的动静态性能,导致加工精度和稳定性较差。近年来,许多学者通过各种优化方法对机床结构进行了改进设计,但是在深孔加工机床中的应用研究较少,特别是先进的拓扑优化算法在深孔机床的应用极少,因此,拓扑优化技术在深孔加工机床上应用具有重要的研究意义和应用价值。
　　本文以T2120深孔钻镗床的床身为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件对床身进行静力学分析、模态分析、尺寸优化和拓扑优化研究。利用 ANSYS中的 APDL语言建立床身的参数化有限元模型;对在固定载荷下的机床进行静力学分析和模态分析,通过对应力、位移分布云图和床身阵型图的分析,发现机床应力和位移分布不均、结构存在较大的冗余;利用 Design OPT优化模块对床身进行尺寸优化,基频在允许变化范围内,床身的整体质量减少了7.23％;在单工况和多工况情况下,利用ANSYS的拓扑优化模块对床身进行拓扑优化,得到材料最优分布;利用ANSYS中的APDL语言对 ESO算法进行开发,对床身进行关于应力、位移和频率灵敏度的拓扑优化,得到材料的最优分布;根据拓扑优化结果以及床身的阵型,建立新的床身结构,通过比较分析,得到床身的最优结构。改进后的床身结构,一阶固有频率提高了2.7518％,强度提高了6.591％,质量减少了8.157％。动静态特性均有所提高,并实现了轻量化设计,从而有效提高了设计质量,并为其他关键部件的结构优化提供了可借鉴的方法和依据。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究的背景

1.3 拓扑优化算法的研究发展现状

1.4 拓扑优化在机床领域的应用研究现状

1.5 参数化技术的研究和应用现状

1.6 本文研究内容和意义

1.7 本章小结

第二章 T2120深孔钻镗床床身的参数化建模

2.1 ANSYS软件简介

2.2 T2120深孔钻镗床简介

2.3 三维零件参数化建模技术概述

2.4 床身参数化有限元模型的建立

2.5 ANSYS二次开发技术在床身中的应用

2.6 本章小结

第三章 T2120深孔钻镗床床身的静力学和模态分析

3.1 床身的静力学分析

3.2 床身的模态分析

3.3 本章小结

第四章T2120深孔钻镗床床身的尺寸优化设计

4.1 结构优化设计的基本思想和方法

4.2 基于ANSYS的结构优化流程

4.3 床身关于频率的尺寸优化设计

4.4 本章小结

第五章 基于ESO算法和变密度算法的床身的拓扑优化

5.1 结构拓扑优化理论和方法

5.2 结构拓扑优化一般流程

5.3 变密度算法和ESO算法在薄板结构中的实现

5.4 基于变密度算法的床身的拓扑优化

5.5 基于ESO算法的床身的拓扑优化

5.6 对机床床身的重构设计及有限元分析

5.7 优化结果讨论

5.8 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢