基于多目标优化的大型加工中心结构优化设计

摘要

随着《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》的发布，大型，高端，精密的加床加工中心已成为国防，航空航天，化工，冶金，采矿，风力发电的高端装备制造工具，在军事，国防和国民经济建设中具有不可替代的作用，但是由于我们国内的大型装备制造产品研发时间短，制造技术还有很大的提升空间。因此我们需要对现有的装备制造产品及技术进行继续研究，提升其应用品质。本课题的研究对象是天津第二机床厂的大型加工中心(整机型号:MKM5115X120F-00001)，对加工中心整机进行质量减轻设计，以质量及一阶固有频率为研究目标，以关键部件刚度为约束条件，对关键部件尺寸进行优化，最终，降低了整机质量，提高了其刚度，降低了制造成本。
　　 本文首先分析了大型加工中心整机构成及特点，对整机的关键部件进行了质量分析，找出了较大影响整机性能及占有整机质量比重较大的部件，然后通过关键部件的有限元分析，找出了关键部件的薄弱环节，并对关键部件的影响因素进行了试验设计，通过回归方程对试验设计结果的处理，找出了影响关键部件的敏感因素，最终通过敏感因素与优化目标的数学模型对关键部件进行了优化。通过优化关键部件后，对整机的部件的接触进行处理，对优化关键部件的整机进行有限元分析，最终提高了整机的性能。具体的研究内容如下:
　　 1.结构分析，首先使用三维软件建立整机及关键部件的三维模型，对整机的构成及关键部件的结构进行分析，其中整机有七大件组成，部件结构是由相同的井字形筋板组成。
　　 2.质量分析，对整机构成部件的质量进行逐一分析，并计算出整机部件的质量在整机占有的比例，最后分析出整机中占有整机质量比重较大的部件作为进行轻量化设计的目标。
　　 3.有限元分析，通过大型有限元分析软件ABAQUS，首先对整机及关键部件床身，立柱，横梁进行静态分析及动态分析，分析整机原始状态下的静态及动态特性，得到整机及关键部件的应力云图及应变云图，同时给出了整机及关键部件的各阶振动频率及振型云图分析找出部件的薄弱环节，对整机及关键部件进行结构优化设计。
　　 4.结构优化，通过实验设计对整机及关键部件的影响因素进行灵敏度分析，筛选出对整机质量影响敏感，而对整机固有频率影响不敏感的因素进行优化，然后通过试验设计与响应面法建立整机及关键部件近似的多目标优化的数学模型，最后通过MATLAB对多目标数学模型求解，为加工中心的设计改进提供了参考依据。
　　 本文通过对大型机床加工中心的有限元分析及结构优化，提出了其科学的设计优化方法，在降低质量，并保持固有频率的同时，提高了刚度，为后续加工中心的改进提供了参考，降低了制造成本，提高了公司的经济效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．1．1 课题的背景

1．1．2 课题的意义

1．1．3 课题目的

1．2 加工中心国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内加工中心的研究现状

1．2．2 国外加工中心研究现状

1．2．3 加工中心的发展趋势

1．3 结构优化理论及优化方法发展现状

1．4 本章小结

第二章 大型加工中心整机及关键部件构成及特点

2．1 大型加工中心整机的构成

2．2 大型加工中心部件的结构特点

2．3 基于多目标优化的设计流程

2．4 本章小结

第三章 大型加工中心整机及关键部件的有限元分析及质量分析

3．1 有限元法理论及ABAQUS软件介绍

3．1．1 有限元分析的基本思想

3．1．2 有限元分析的基本过程

3．1．3 有限元分析软件ABAQUS的基本介绍

3．2 大型加工中心整机及关键部件质量分析

3．3 大型加工中心关键部件动静态特性分析

3．3．1 立柱的动静态分析

3．3．2 床身的动静态结果分析

3．3．3 横梁的动静态结果分析

3．4 大型加工中心整机关键部件灵敏度分析

3．4．1 均匀试验设计概述

3．4．2 关键部件的回归分析

3．4．3 关键部件影响因素灵敏度分析

3．5 本章小结

第四章 大型加工中心关键部件的结构优化设计

4．1 优化数学模型的建立

4．1．1 响应面法理论介绍

4．1．2 基于响应面法的数学模型

4．2 关键部件优化数学模型的求解

4．2．1 MATLAB软件概述

4．2．2 理想点法介绍

4．2．3 求解结果的分析处理

4．3 本章小节

第五章 基于结合面的整机有限元建模分析

5．1 机床结合面模拟及方法研究

5．1．1 机床结合面及相关研究概况

5．1．2 结合面有限元模拟法

5．2 大型加工中心整机关键部件结合面参数确定

5．2．1 横梁与立柱固定结合面参数识别

5．2．2 立柱与床身运动结合面参数识别

5．3 整机优化有限元建模分析及对比

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢