基于有限元分析的机械产品结构动态设计及其工程应用

摘要

机械产品向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，产品结构日趋复杂，对工作性能的要求越来越高。为使这些产品安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动态特性。我们期望在设计阶段就能了解未来产品的各种静、动态性能，并根据要求对结构进行优化改进，避免产品样机的反复试制、测试及改进过程。为此，本文以结构动态设计为主要研究路线，寻求结构参数的最佳组合，使产品动、静态特性在设计阶段就能最佳化。本文分为上下两篇。 上篇以机床为研究对象，对结构动态设计的原理、方法进行研究，并以数控弧齿铣齿机Y603B为例进行了结构动态设计，主要研究内容如下： 1.综述了机械产品结构动态设计及动态试验相关技术的发展状况，阐述课题提出的目的和意义，明确本文研究的主要内容； 2.阐述机械结构的变量化设计技术，研究基于有限元方法的结构变量化动态设计原理、内容。通过基于元结构和框架结构优化的方法，成功地对数控机床床身和立柱等大件结构进行变量化静、动态优化设计，证明变量化优化结构参数的可行性和高效性； 3.基于决定机床动态特性的基本参数，提出力封闭环长度最短、环节最少等十条机床结构动态设计的基本原则，对指导机床结构设计具有实用价值； 4.对数控弧齿铣齿机Y603B运用试验分析与有限元建模分析相结合的方法进行结构动态设计研究，综合应用结构变量化动态设计方法与机床结构动态设计原则，对其进行动态设计。 下篇以敞车为研究对象，对车辆的轻量化动态设计、动力学响应分析与疲劳寿命分析做了相应的研究，主要研究内容为： 1.对轻量化动态设计方法进行研究，以敞车为研究对象，通过试验模态分析，得出结构的动力学参数，应用有限元分析软件对该敝车进行建模，在与试验结论参数对比确定模型合理后，进行强度与动态特性分析，在保持强度不降低的情况下，应用动态设计方法对其进行轻量化设计，使车体重量降低1.2吨； 2.建立车辆-轨道动力学模型，研究车辆在轨道运行时的动力学响应，并基于载荷谱应用有限元方法对集装箱专用平车进行动力学响应分析； 3.基于动力学响应，研究车辆的疲劳寿命的计算方法：应用实测的载荷谱计算敞车结构的动应力，根据动应力估算车体及其部件疲劳寿命，探索应用有限元法计算载荷谱激励下结构的应力状态及其预测疲劳寿命的方法。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1机械结构动态设计发展综述

1.1.1机械动态分析与设计的发展现状

1.1.2模态综合技术的发展

1.1.3试验模态分析技术发展状况

1.2 机械产品动态设计的计算机辅助技术研究现状

1.2.1计算机辅助设计(CAD)

1.2.2计算机辅助工程(CAE)

1.3有限元分析在动态设计中的应用

1.3.1有限元的发展趋势

1.3.2有限元分析的应用及意义

1.4课题研究内容与本文的结构体系

1.4.1本课题主要研究内容

1.4.2论文的结构体系

1.5本章小结

上篇 基于动刚度的CNC弧齿锥齿轮铣齿机结构动态设计第二章 结构变量化动态设计的基本方法

2.1机械结构变量化动态设计的概念

2.1.1参数化、变量化设计的概念

2.1.2变量化分析的基本原理

2.2机械结构变量化分析的基本方法

2.3基于元结构的结构动态设计

2.4基于框架结构的结构动态设计

2.5机械结构优化与基于灵敏度的参数化结构分析

2.5.1机械结构优化设计的基本概念

2.5.2结构参数灵敏度分析

2.5.3基于灵敏度的参数化结构分析

2.6利用ANSYS进行结构优化设计的数据流程

2.7龙门式立柱结构动态设计实例

2.7.1龙门式立柱结构动态分析

2.7.2板厚变化时的动、静态特性分析

2.7.3板厚变化时的静态特性分析

2.7.4结构修改对其动静态特性的影响

2.8床身结构动态设计实例

2.8.1床身内部筋格设计

2.8.2床身结构动态设计

2.9本章小节

上篇 基于动刚度的CNC弧齿锥齿轮铣齿机结构动态设计第三章 机床结构动态优化设计基本原则研究

3.1决定机床动态性能的基本要素

3.2机床结构动态优化设计的基本原则

3.2.1力封闭环长度最短、环节最少原则

3.2.2机床各阶模态频率最高原则

3.2.3结构重心最低原则

3.2.4各阶频率均匀分布原则

3.2.5传递力的框架结构各组成环节等刚度原则

3.2.6结构固有频率下低、上高原则

3.2.7结构频率避免与切削力的激励频率重合原则

3.2.8重心驱动运动部件原则

3.2.9修改结构薄弱模态原则

3.2.10主切削力方向与机床结构主刚度方向重合原则

3.3本章小节

上篇 基于动刚度的CNC弧齿锥齿轮铣齿机结构动态设计第四章 CNC弧齿锥齿轮铣齿机结构动态设计实例

4.1机床结构动态设计方法与思路

4.2弧齿锥齿轮加工原理及CNC铣齿机Y603B结构简介

4.2.1弧齿锥齿轮加工原理简介

4.2.2 CNC铣齿机Y603B结构简介

4.3机床结构动态实验分析

4.3.1机床刚度试验概述

4.3.2机床综合刚度的测量

4.3.3机床结构刀具-工件间频率响应曲线的测定

4.3.4切削试验及切削自激振动测量

4.3.5机床结构试验模态分析

4.4机床结构有限元理论建模分析

4.4.1整机有限元动力分析

4.4.2整机有限元静力分析

4.4.3主要部件有限元分析

4.5结构动态改进设计

4.5.1立柱的改进设计

4.5.2横滑板的改进设计

4.5.3床身改进方案

4.5.4床鞍与工件箱的有限元分析与动态改进设计

4.6改进后整机的有限元分析

4.6.1整机有限元静变形分析

4.6.2整机有限元动态分析

4.6.3对比与结论

4.7本章小结

下篇 基于结构强度的敞车结构动态设计第五章 敞车结构轻量化动态设计研究

5.1铁路敞车概况

5.2敞车结构简介

5.3敞车结构轻量化动态设计的原理与方法

5.4敞车结构动力学模型及其有限元建模

5.5敞车的试验模态分析与有限元计算模态分析

5.5.1试验模态分析

5.5.2有限元模态分析

5.5.3有限元模态与试验模态的对比

5.6敞车结构静力分析与轻量化结构设计

5.6.1车体载荷分析

5.6.2车体的有限元分析与结构改进

5.7本章小结

下篇 基于结构强度的敞车结构动态设计第六章 载荷谱作用下车辆的动力学响应分析

6.1货车车辆系统垂向振动的稳态响应

6.2基于有限元的平车振动响应分析

6.2.1平车的有限元模态分析

6.2.2载荷谱的预处理

6.2.3基于载荷谱的平车动力学响应分析

6.3本章小结

下篇 基于结构强度的敞车结构动态设计第七章 基于载荷谱的敞车疲劳寿命分析

7.1影响结构疲劳寿命的主要因素

7.1.1应力集中的影响

7.1.2尺寸的影响

7.1.3表面状态的影响

7.1.4载荷的影响

7.2动载荷下应力应变计算分析的基本方法

7.3基于载荷谱激励的侧架疲劳寿命估算

7.3.1侧架的有限元建模与动态分析

7.3.2材料的S-N曲线及侧架S-N曲线的获得

7.3.2侧架在载荷谱作用下动应力分析与疲劳寿命分析

7.4敞车车体载荷谱激励的疲劳寿命估算

7.5本章小结

结论与展望

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文

作者在攻读博士期间参加的科研项目

致谢