高速立式加工中心床身静动态特性分析及优化设计

摘要

制造业是国家工业发展的基础，一个国家的制造业技术也是这个国家综合国力的体现。高速立式加工中心作为制造业领域的制造母机，其静动态性能直接影响到加工中心的加工精度。床身作为高速立式加工中心的基础承载部件，在加工中心中起支撑作用，因此对床身的静动态性能的研究就显得尤为重要。本文采用基于有限元方法与数学优化理论相结合的虚拟优化技术，对床身结构进行分析和优化，并对床身结构进行改进使其性能更加优越。
　　本文主要内容如下所述。
　　(1)根据目前市场上现有的床身结构，并结合以往的设计经验，提出4种不同布筋形式的床身结构方案，在三维软件SolidWorks中建立实体模型。结合有限元理论，在AnsysWorkBench中对4种不同布筋形式的床身结构建立有限元模型。
　　(2)对4种不同布筋形式的床身结构进行静动态特性分析，分别提取X、Y、Z三个方向的最大变形量和前六阶固有频率及振型。经过分析和比较得出复合筋床身结构具有较优的静动态特性。
　　(3)通过分析5种不同筋厚度的复合筋床身结构，得出当筋厚度为20mm时，其各方面性能较好。为进一步提高床身结构性能，以提高复合筋床身的固有频率为目标函数，以体积为约束条件，对其做拓扑优化设计。依据拓扑优化结果，提出了增加两个出砂孔和增大床身底部筋格面积的两个改进方法;对改进后的床身结构进行静动态分析，得到改进后的床身结构在静动态性能上都有一定的提升，同时使床身的质量相比之前减轻了32.7kg。对改进的床身进行谐响应分析，绘制了频率-振幅曲线图，在该曲线图谱中显示的谐响应分析结果与模态振型相吻合。将振动研点法应用于高速立式加工中心导轨强度的提升方面，在理论上对这种方法进行了分析。
　　(4)在三种不同极限工况下，对改进前后的复合筋床身结构进行静力分析，通过对分析结果进行比较可知改进后的床身结构在X、Y、Z三个方向的变形量都减小，说明改进后的床身结构的静态性能得到提高。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题的研究现状

1．2．2 高速立式加工中心的发展现状

1．2．3 高速立式加工中心静动态特性分析现状

1．2．4 高速立式加工中心优化设计的发展现状

1．3 本课题的研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 课题意义

1．3．3 本文的主要内容

2 高速立式加工中心床身的实体建模和理论研究依据

2．1 高速立式加工中心床身结构的实体建模

2．1．1 高速立式加工中心结构简介

2．1．2 高速加工中心床身结构的实体建模

2．2 理论依据

2．2．1 静力学

2．2．2 动力学

2．2．3 有限元理论

2．2．4 拓扑优化理论

2．3 本课题研究的软件介绍

2．3．1 Ansys Workbench 14．0简介

2．3．2 SolidWorks软件简介

2．4 本章小结

3 高速立式加工中心床身系统的静动态分析

3．1 床身结构的有限元模型的建立

3．1．1 有限元思想

3．1．2 有限元模型的建立

3．2 静力学分析

3．2．1 静力学分析介绍

3．2．2 切削力的计算

3．2．3 高速立式加工中心床身结构静力分析过程

3．2．4 静力分析结果

3．3 动力学分析

3．3．1 模态分析

3．3．2 床身结构的模态分析结果

3．4 床身结构的选择

3．5 本章小结

4 高速立式加工中心床身结构的优化设计

4．1 床身的结构优化

4．1．1 拓扑优化的基本思想

4．1．2 拓扑优化的数学模型

4．1．3 拓扑优化的过程

4．1．4 拓扑优化结果

4．2 床身结构优化设计

4．2．1 筋板厚度的优化选择

4．2．2 床身结构改进

4．3 优化后的床身结构分析与比较

4．3．1 改进前后床身静力学分析结果比较

4．3．2 改进前后动态分析结果比较

4．3．3 结果综合比较

4．4 谐响应分析与验证

4．4．1 谐响应的基本思想

4．4．2 谐响应的分析基础

4．4．3 谐响应分析过程及结果

4．5 床身导轨刚度的优化

4．6 本章小结

5 高速立式加工中心床身不同工况下的分析比较

5．1 工作台不同工况下的分析

5．2 原复合筋床身结构三种极限工况下的分析

5．3 改进后复合筋床身结构不同工况分析

5．4 改进前后床身结构在不同工况下的比较分析

5．5 本章总结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

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