大型数控镗铣床轻量化设计与研究

摘要

大型数控镗铣床作为现代机械加工中的重要工作母机，该机床适用于加工重量大、形状复杂的零件，能在一次装夹内完成多种工序的加工需要，提高了加工效益与企业牛产的效益。作为世界上最大的机床生产国和消费国，我国的机床结构设计仍然以经验设计和类比法设计为主，造成了结构尺寸的富余、质量过大和性能不够完善等问题。本文以TK6913大型数控镗铣床为研究对象，利用仿真研究和实验模态两方面共同来研究镗铣床的结构性能，加上基于敏感度分析的优化分析方法，在保证结构刚度、铸造条件的前提下，达到机床质量的最小化。本文的主要研究内容如下:
　　1.利用软件SolidWorks对TK6913大型数控镗铣床整机进行三维建模，简化细小结构后，将其导入ANSYS，经过前处理操作，最后得到整机的有限元模型。
　　2.在镗铣床最危险的工况下进行仿真分析，分别有静力分析和模态分析。静力分析中施加工况载荷和边界条件，得到了整机的应力、应变情况，验证了结构尺寸的富余;模态分析中，对镗铣床的主要零部件进行了模态匹配，验证了各个零件结构设计的合理性，与此同时对整机分析得到整机模态结果。通过静力分析和模态分析，得到各阶模态参数的同时，发现结构尺寸较为富余，有轻量化设计的空间。
　　3.针对镗铣床的关键部件立柱进行了实验模态分析。首先介绍了实验的理论基础、测量方案和测量流程的具体步骤，通过计算得到立柱模态前六阶的固有频率、振型和阻尼比，并采用曲线拟合的方式来验证模态实验结果的可信度，得出了镗铣床的模态参数，并与仿真分析的结果相互验证，为轻量化分析提供了理论基础。
　　4.对该镗铣床展开轻量化设计，在保证刚度的前提下，减少结构质量，节约成本。利用SolidWorks建立机床的模型，通过改变各结构尺寸，在ANSYS中采用灵敏度分析的方法寻找结构中刚度随质量变化的灵敏尺寸。再以灵敏尺寸为优化参数，以结构质量为目标函数，以结构刚度和铸造条件作为约束条件，在ANSYS中对结构进行轻量化设计。设计结果证明了灵敏度分析的方法对于结构的轻量化设计是非常有效的。于此同时结构的各阶固有频率得到了有效的提高，各阶模态的最小间距加大，动态性能得到提高。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景、来源和意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 论文来源与研究对象

1．1．3 论文的意义

1．2 CAE技术的发展概况

1．2．1 CAE概念

1．2．2 有限元方法的应用意义

1．3 国内外产品技术研发现状

1．3．1 国内外数控镗铣床研发现状

1．3．2 国内外数控机床轻量化设计研究现状

1．4 模态实验分析技术的发展概况

1．4．1 模态实验分析技术的发展历史

1．4．2 模态实验分析软件的介绍

1．5 论文的主要内容和研究流程

第二章 大型数控镗铣床有限元模型的建立

2．1 TK6913大型数控镗铣床的简介

2．1．1 TK6913大型数控镗铣床的结构形式与配置

2．1．2 主要技术参数

2．2 TK6913三维模型的建立

2．2．1 建模软件简介

2．2．2 建模假设

2．2．3 实体模型建立

2．3 TK6913有限元模型的建立

2．3．1 导入模型的步骤

2．3．2 单元属性定义

2．3．3 网格划分

2．4 有限元模型与计算结果精度分析

2．5 本章小结

第三章 大型数控镗铣床有限元分析设计

3．1 有限元分析理论解析

3．1．1 有限元静力学分析理论

3．1．2 有限元模态分析理论

3．2 有限元仿真分析的流程

3．2．1 前处理模块

3．2．2 求解模块

3．2．3 后处理模块

3．3 TK6913大型数控镗铣床的静力学分析

3．3．1 施加载荷和边界条件

3．3．2 整机静力学分析

3．4 TK6913大型数控镗铣床的模态分析

3．4．1 大型数控镗铣床部件的有限元模态分析

3．4．2 大型数控镗铣床的整机有限元模态分析

3．5 本章小结

第四章 大型数控镗铣床模态实验验证

4．1 模态实验的目的和意义

4．2 模态实验的理论基础

4．3 模态实验仪器设备材料

4．4 模态实验测试方案设计

4．4．1 模态实验原理

4．4．2 模态实验测试流程具体内容

4．4．3 模态实验参数计算

4．4．4 典型的频响函数和相干函数

4．5 模态实验分析结果

4．5．1 频响函数的稳态图计算

4．5．2 频响函数的模态参数结果与仿真结果对比

4．6 本章小结

第五章 大型数控镗铣床基于灵敏度分析的轻量化设计

5．1 基于灵敏度分析的优化设计

5．1．1 灵敏度分析基本原理

5．1．2 灵敏度分析公式

5．1．3 灵敏度分析应用

5．2 机床结构的轻量化分析方案

5．2．1 数控机床的结构分析

5．2．2 立柱的灵敏度计算

5．2．3 滑座的灵敏度计算

5．3 机床结构轻量化设计

5．3．1 确定优化设计三要素

5．4 结果讨论

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究内容总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况