机床结构件的分步拓扑优化设计

摘要

目前机床结构件的设计主要依靠经验公式和同类型机床类比的方法，导致设计结构过于传统，材料利用率低，而且设计周期较长，难以满足市场产品更新速度快的要求，因此寻求一种高效的机床结构设计方法具有重要意义。为此，本文以JIG630卧式加工中心立柱、溜板等基础结构件为研究对象，开展了机床“框中框”结构拓扑优化设计的相关工作，提高机床的静动态性能，同时实现轻量化。本文主要研究内容如下： 提出分步拓扑优化方法，并与尺寸优化技术结合，形成一套集成的机床结构优化设计方法。研究该方法的相关理论基础，建立拓扑优化数学模型；对加工中心关键结构件立柱、溜板进行了力学分析，介绍了拓扑优化前有限元分析前处理工作。 完成JIG630卧式加工中心立柱、溜板和主轴箱的结构分步拓扑优化设计，提高了结构件的静动态性能，同时实现轻量化。首先分析结构件的功能约束，建立构件的拓扑优化初始模型，并完成初始优化模型的有限元分析；利用 TOSCA软件进行目标函数和约束的设置，完成第一步外轮廓拓扑优化设计；在此基础上，约束模型外轮廓，实现内部结构的拓扑优化设计，完成模型重建。对拓扑优化模型进行参数化，利用响应面法实现尺寸优化，并将最终优化设计结构与传统设计进行仿真分析对比校验。 设计了立柱 1:2 比率的等比缩小实验样件模型和静刚度、动特性测试实验。在实验测量结果的基础上对其静刚度、前三阶固有频率和模态进行了分析计算，并将有限元理论分析结果与实测结果进行对比，简要分析了两种结果存在差距的原因，验证了立柱变截面设计结构静动态性能的提高，证明分步拓扑优化设计方法的可行性。

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第一章 绪　论

1.2 国内外研究现状

1.2.2 连续体拓扑优化方法概述

1.2.3 机床结构优化设计国内外研究现状

1.3 存在的问题

1.4 研究内容

第二章 拓扑优化设计方法

2.2.3 拓扑优化数学模型

2.3 加工中心结构件力学分析

2.3.1 溜板力学分析模型

2.3.2 立柱力学分析模型

2.4 有限元分析前处理

2.5 本章小结

第三章 结构件分步拓扑优化设计及性能校核

3.2.2 立柱分步拓扑优化

3.2.3 立柱尺寸优化

3.2.4 立柱优化设计模型性能校核

3.3 溜板分步拓扑优化设计

3.3.2 溜板分步拓扑优化

3.3.3 溜板优化设计模型性能校核

3.4 主轴箱拓扑优化设计

3.4.2 主轴箱拓扑优化

3.4.3 主轴箱优化设计模型性能校核

3.5 拓扑优化前后整机性能校核

3.5.1 优化后整机静态性能校核

3.5.2 优化后整机动态性能校核

3.5.3 优化后整机质量校核

3.6 本章小结

第四章 优化设计结构静动态特性实验验证

4.2.2 样件有限元分析

4.3 静刚度实验及分析

4.3.2 静刚度实验过程及结果分析

4.3.3 静刚度实验与仿真结果对比分析

4.4 动特性实验及分析

4.4.2 动特性实验过程及结果分析

4.4.3 动特性实验与仿真结果对比分析

第五章 结论与展望

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致　谢