数控重型曲轴旋风车关键部件有限元分析及优化研究

论文摘要

有限元分析和优化是现代机床结构设计的重要组成部分,使设计人员在设计阶段能够预知机床结构的静动态性能,以获得良好的结构优化方案,提高设计质量,降低设计成本。本文基于ANSYS软件对数控重型曲轴旋风车的关键部件(旋风刀架、主轴和中心架)进行有限元分析和优化研究。利用UG软件建立了旋风刀架的简化实体模型,计算了各静压轴瓦轴向和径向油腔处的油膜刚度,建立了旋风刀架等效有限元模型,对其进行了静动态特性有限元分析,得到了旋风刀架结构变形图、应力分布图、前6阶固有频率和模态振型以及谐响应特性,分析结果表明,旋风刀架结构满足设计要求。对旋风刀盘结构进行了拓扑优化分析,根据分析结果对其结构进行了适当的改进,经过分析表明,优化后的旋风刀盘在满足静动态特性的基础上,消除了质量偏心并将质量降低了3.841%。建立了机床主轴结构模型,对主轴轴承进行了等效处理,继而建立了主轴的有限元分析模型,对主轴的弯曲刚度和应力、扭转刚度和切应力、模态特性以及谐响应特性进行了分析研究。基于ANSYS软件参数化设计语言建立了机床主轴结构优化的参数化模型,以主轴各段半径和长度为设计变量,第1阶固有频率为状态变量,主轴的质量和卡盘端面处主轴的变形为优化目标,对主轴结构进行多目标尺寸优化。经过优化,使主轴的质量降低了8.28%,卡盘端面处主轴径向变形值降低了10.19%,主轴第1阶固有频率升高了14.16%。建立了中心架结构的实体模型并进行了适当的简化处理,对中心架进行了静态和模态有限元分析,找到了其结构的薄弱部位并进行了相关改进,经分析表明,优化后的中心架左侧支撑处最大综合变形值降低了14.763%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与实际意义
• 1.2 国内外相关技术研究现状及分析
• 1.2.1 有限元分析技术研究概况及应用
• 1.2.2 结构优化技术研究概况及应用
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 旋风刀架有限元分析
• 2.1 旋风刀架结构建模
• 2.2 静压油腔油膜刚度的计算
• 2.2.1 轴向油腔油膜刚度
• 2.2.2 径向油腔油膜刚度
• 2.3 旋风刀架静力分析
• 2.3.1 静力分析有限元建模
• 2.3.2 计算结果与分析
• 2.4 旋风刀架动力学分析
• 2.4.1 旋风刀架模态分析
• 2.4.2 旋风刀架谐响应分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 旋风刀盘结构优化
• 3.1 概述
• 3.2 旋风刀盘拓扑优化
• 3.2.1 ANSYS 拓扑优化模块
• 3.2.2 建立拓扑优化初始模型
• 3.2.3 拓扑优化过程控制及求解
• 3.3 旋风刀盘结构改进及其有限元分析
• 3.3.1 结构改进
• 3.3.2 改进后结构静态分析
• 3.3.3 改进后结构模态分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 机床主轴部件有限元分析
• 4.1 主轴传动系统 CAD 建模
• 4.2 主轴径向轴承等效处理
• 4.3 主轴静态特性分析
• 4.3.1 有限元建模前处理
• 4.3.2 主轴弯曲刚度和应力分析
• 4.3.3 主轴扭转刚度和切应力分析
• 4.4 主轴结构动力学分析
• 4.4.1 主轴结构的模态分析
• 4.4.2 主轴结构的谐响应分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 主轴结构优化
• 5.1 ANSYS 尺寸优化简介
• 5.2 主轴优化模型处理
• 5.2.1 主轴优化建模
• 5.2.2 主轴优化的数学模型
• 5.3 参数化有限元模型
• 5.4 优化计算
• 5.4.1 搜寻设计域
• 5.4.2 确定多目标优化函数
• 5.4.3 优化结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 中心架有限元分析及优化
• 6.1 中心架结构建模
• 6.2 中心架结构静力分析
• 6.2.1 中心架静力分析有限元建模
• 6.2.2 计算结果与分析
• 6.3 中心架模态分析
• 6.4 中心架结构优化
• 6.4.1 中心架结构改进
• 6.4.2 改进后结构刚度分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢