加工中心十字滑台结构优化设计及静刚度试验

论文摘要

本课题来源于国家科技重大专项“面向动静热特性的机床数字化设计及其软件”（NO.2009ZX04014-034）、国家科技重大专项“VHT系列立式车铣复合加工中心”（NO.2009ZX04001-031）以及国家科技支撑计划“多轴联动高速龙门式加工中心系列产品开发”（NO.2007BAF21B01）。随着现代工业技术的发展,对机床的性能要求越来越高。传统的设计方法在设计过程中过多的依靠经验和类比,缺乏理论指导,造成设计出来的产品性能差,而且设计周期长。本文通过对某立式加工中心的十字滑台进行结构优化设计,提高了十字滑台的静刚度和固有频率。而且通过减轻十字滑台的质量解决了机床的Y向加速性能不足的问题。并对十字滑台进行了静刚度试验,对比了有限元分析结果与试验结果。通过对比,验证了有限元分析方法的准确性。本文主要的研究工作如下：（1）对某立式加工的工作状况进行了分析,确定了十字滑台所受的约束条件,并通过建立十字滑台的力学模型,计算出十字滑台所受的载荷,确定了十字滑台的载荷条件,进而确定了十字滑台的边界条件,为十字滑台的结构优化和分析打下了基础；（2）运用基于拓扑优化的结构设计方法对十字滑台进行了结构优化设计。首先基于HyperWorks软件平台对十字滑台进行了拓扑优化,然后根据十字滑台的拓扑优化结果,综合考虑铸造工艺要求以及零部件功能要求等,对十字滑台进行了结构优化设计；并且通过分析和比较,新方案较原方案质量减轻14%,而且刚度和固有频率较原结构有了很大提高,解决了原方案刚度不足、结构笨重以及机床Y向加速性能不足的问题；（3）对十字滑台进行了静刚度试验,得到了十字滑台几个关键位置的静刚度值,为十字滑台的结构改进设计提供了参考。并针对十字滑台的静刚度进行了有限元分析,有限元分析结果与试验结果的相对误差在10%左右,除个别工况的相对误差较大（达到20%左右）之外,大部分工况下的计算结果与试验结果基本吻合,验证了在运用有限元方法对十字滑台进行静刚度分析时单元类型选择、网格划分方式以及边界条件施加方式的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及背景
• 1.2 机床零部件结构优化设计研究现状
• 1.2.1 结构优化设计理论的研究进展
• 1.2.2 机床零部件结构优化设计的国内外研究现状
• 1.2.3 本课题组机床零部件结构优化设计研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 结构拓扑优化基本理论
• 2.1 有限元法理论基础
• 2.1.1 有限元法基本原理
• 2.1.2 有限元法基本步骤
• 2.2 结构拓扑优化设计理论基础
• 2.2.1 拓扑优化基本原理
• 2.2.2 变密度法拓扑优化数学模型
• 2.2.3 拓扑优化常用算法
• 2.2.4 结构拓扑优化设计流程
• 2.3 本章小结
• 3 十字滑台的边界条件
• 3.1 十字滑台约束条件
• 3.2 十字滑台载荷条件
• 3.2.1 切削力计算
• 3.2.2 十字滑台受力计算
• 3.3 十字滑台的工况
• 3.4 本章小结
• 4 十字滑台结构优化设计
• 4.1 建立有限元模型
• 4.2 十字滑台拓扑优化
• 4.3 提取优化结果
• 4.4 十字滑台结构设计
• 4.5 十字滑台方案对比
• 4.5.1 静刚度和固有频率对比
• 4.5.2 机床加速性能比较
• 4.6 本章小结
• 5 十字滑台静刚度试验及有限元分析
• 5.1 试验目的
• 5.2 试验原理
• 5.3 试验方案
• 5.4 试验过程及数据处理
• 5.4.1 位置1静刚度试验
• 5.4.2 位置2和位置3静刚度试验
• 5.4.3 位置4静刚度试验
• 5.4.4 位置5和位置6静刚度试验
• 5.5 试验小结
• 5.6 十字滑台静刚度的有限元计算
• 5.7 有限元分析结果与试验结果对比
• 5.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢