液体静压油膜-转台系统的力学性能分析及优化设计

摘要

数控机床和装备的性能取决于其关键部件的性能。液体静压油膜-转台系统是数控机床的主要部件，其性能优劣直接影响数控设备的加工质量和运行效率，对液体静压油膜.转台系统进行深入的力学分析及优化设计，对于增强数控机床工作台的承载能力和性能，满足高精度的加工需求，推动先进制造业的自主创新发展，具有十分重要的理论意义和应用价值。
　　 本文主要从以下几个方面对液体静压油膜-转台系统进行研究：
　　 （1）根据液体静压油膜-转台系统的特点，采用分块划分网格的方法，将油膜支承力简化为弹簧支承，建立了液体静压油膜-转台系统的有限元数值计算模型。
　　 （2）分析了供油方式不同的液体静压油膜-转台系统，在不同的外荷载、不同材料弹性模量、不同油膜刚度、不同油腔个数时的静力学性能，得到了这些参数对系统的应力和位移变化的影响。
　　 （3）在系统的动力学性能研究方面，分析了供油方式不同的系统，在不同材料弹性模量、不同油膜刚度、不同油腔个数时对系统结构进行了模态分析，研究了不同的系统参数对结构振动频率的影响。此外，利用响应面的建模方法研究了系统频率的响应面拟合函数形式。
　　 （4）利用多学科优化理论，对影响液体静压油膜-转台系统工作性能的主要参数进行了多目标优化设计。以结构的最大位移为最小、单元最大Von Misses应力值为最小为优化目标，以无量纲的材料弹性模量和油膜刚度作为设计变量，建立了优化模型。利用响应面方法，将满足结构强度和刚度条件的目标函数进行显式化，建立了以结构综合性能指标为目标的单目标优化模型。采用序列响应面方法，对优化模型进行了求解，程序运行稳定可靠，获得了提高系统力学性能的条件。
　　 计算结果符合预期设想，为进一步研究液体静压油膜-转台系统的其他方面的性能，提高其工作性能和加工精度提供了理论依据，对实际工程具有很大的理论意义及实际参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 液体静压油膜-转台系统的研究历史与现状

1.2.1 液体静压油膜-转台系统中油膜的研究进展

1.2.2 液体静压油膜-转台系统工作性能方面研究进展

1.2.3 液体静压油膜-转台系统优化设计研究进展

1.3 本文的研究内容

第2章 数值方法简介与响应面方法理论

2.1 引言

2.2 有限元方法概述

2.2.1 有限元法的形成

2.2.2 有限元法的基本思想

2.2.3 有限元法的分析过程

2.2.4 有限元法的软件实现

2.3 响应面方法理论

2.3.1 响应面方法的基本原理

2.3.2 试验点的选取规则

2.3.3 响应面评估

2.4 序列响应面方法理论

2.5 本章小结

第3章 液体静压油膜.转台系统静力学分析

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 油腔数目的选取

3.1.2 油膜支承力的简化

3.1.3 材料弹性模量的选取

3.1.4 转台尺寸的选取

3.2 无偏载作用下液体静压油膜.转台系统静力学分析

3.2.1 定量供油系统中各参数对系统位移及应力的影响

3.2.2 定压供油系统中各参数对静压转台位移及应力的影响

3.3 有偏载作用下系统的静力学分析

3.3.1 定量供油系统中各参数对静压转台位移及应力的影响

3.3.2 定压供油系统中各参数对静压转台位移及应力的影响

3.4 描述静力学性能的响应面拟合函数

3.4.1 系统转台结构的位移最大值与系统参数的关系

3.4.2 表征系统转台结构强度的单元最大应力与系统参数的关系

3.5 本章小结

第4章 液体静压油膜-转台系统动力学分析

4.1 模态分析理论

4.2 液体静压油膜-转台系统的模态分析

4.3 系统参数对系统振动频率的影响

4.3.1 材料弹性模量对静压转台振动频率的影响

4.3.2 油膜刚度对静压转台振动频率的影响

4.3.3 油腔数目对静压支承系统振动频率的影响

4.4 描述动力学性能的响应面拟合函数

4.4.1 系统振动频率的两变量响应面拟合函数

4.4.2 系统振动频率的三变量响应面拟合函数

4.5 本章小结

第5章 液体静压油膜.转台系统力学性能的参数优化

5.1 参数优化简介

5.2 系统优化模型的建立

5.2.1 设计变量

5.2.2 目标函数

5.2.3 约束条件

5.2.4 收敛条件

5.2.5 优化模型

5.3 优化求解

5.3.1 多目标函数的单目标化

5.3.2 目标函数显式化

5.3.3 响应面置信区间半径的修改

5.3.4 响应面拟合半径的修改

5.3.5 拟牛顿法求解方法

5.4.2 求解过程

5.4 优化算例

5.4.1 基于线性加权法的求解

5.4.2 基于理想点法的求解

5.4.3 优化结果分析与讨论

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢