基于有限元法的机床主轴特性分析与优化设计

论文摘要

随着高速数控机床的不断发展,对数控机床主轴的性能要求也开始逐渐提高。机床主轴的动静态性能直接影响加工系统的精度和稳定性。因此,在数控机床设计阶段有必要对机床主轴进行相关的性能校核。同时,为了满足既能缩短产品设计周期又能降低成本的要求,需要在机床主轴的分析与优化系统等方面进行必要的研究。本课题以HTC3250μn和HTC2550hs高速精密数控车削中心为依托,利用有限元软件对数控机床主轴的动静态特性进行了相应的分析。依据分析结果并结合ANSYS软件的优化设计功能,对机床主轴的薄弱环节进行了优化,最终建立起针对数控机床主轴的分析与优化系统。课题主要研究工作如下：（1）研究静力学和动力学平衡的有限元方程。利用参数化建模技术,建立能够准确反映实际加工过程的机床主轴参数化有限元分析模型。（2）对机床主轴的两种静态特性的有限元分析方法进行比较,对比不同轴承等效方式下的分析结果,得到较为精确的有限元分析模型和机床主轴静刚度。（3）对机床主轴进行模态分析和谐响应分析,得到机床主轴的临界转速和动刚度等重要动态特性参数。（4）结合机床主轴性能分析中所得到的固有频率和静力变形等参数,利用ANSYS软件的优化设计功能,针对体积和幅值进行多目标优化设计。（5）采用Visual C++6.0与ANSYS联合开发的方式,开发针对机床主轴的性能分析与结构优化设计的应用软件。本文的研究对于提高机床主轴的设计与性能分析效率,有限元方法的普及、增强企业对市场需求的反应速度以及提升企业的竞争力等方面具有重要的理论指导意义和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的研究背景和意义
• 1.3 主轴特性分析与优化的研究现状
• 1.3.1 机床主轴特性分析的研究现状
• 1.3.2 机床主轴优化设计的研究现状
• 1.4 课题研究的内容及章节安排
• 1.4.1 课题研究的主要内容
• 1.4.2 章节安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 主轴的静态特性分析
• 2.1 主轴静态特性的基本概念
• 2.2 有限元方法的基本原理
• 2.2.1 有限元法与ANSYS软件概述
• 2.2.2 空间问题有限元基本方程
• 2.3 结构静力学问题的有限元解法
• 2.4 基于ANSYS的主轴静力学分析
• 2.4.1 主轴有限元模型的建立及边界条件的处理
• 2.4.2 加载参数的确定
• 2.4.3 二维模拟分析及结果比较
• 2.4.4 三维模拟分析及结果比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 主轴的动态特性分析
• 3.1 主轴动态特性的基本概念
• 3.2 结构动力学问题的有限元解法
• 3.2.1 结构动力学方程
• 3.2.2 结构自振频率与振型
• 3.2.3 结构受迫振动的求解
• 3.3 主轴的模态分析
• 3.3.1 模态分析概述
• 3.3.2 基于ANSYS的主轴模态分析
• 3.3.3 主轴的临界转速分析
• 3.4 主轴的谐响应分析
• 3.4.1 谐响应分析概述
• 3.4.2 基于ANSYS的主轴谐响应分析
• 3.5 提高主轴动态特性的措施
• 3.6 本章小结
• 第4章 主轴结构的优化设计
• 4.1 机械优化设计理论
• 4.2 基于ANSYS的优化设计基础
• 4.3 基于ANSYS的主轴结构优化
• 4.3.1 主轴优化的数学模型
• 4.3.2 基于APDL的优化模型建立
• 4.3.3 优化设计变量的扫描
• 4.3.4 单目标优化与多目标优化
• 4.4 优化结果评估
• 4.5 本章小结
• 第5章 主轴分析及优化系统的开发与实现
• 5.1 系统开发的关键技术基础
• 5.1.1 参数化设计技术
• 5.1.2 基于Visual C++6.0的可视化编程技术
• 5.2 系统的结构功能与流程设计
• 5.2.1 系统的设计思想
• 5.2.2 系统的功能概述
• 5.2.3 系统的工作流程
• 5.3 系统的程序设计
• 5.3.1 系统界面的开发
• 5.3.2 路径设置的程序实现
• 5.3.3 开发软件与ANSYS的接口技术
• 5.3.4 结果查看功能的实现
• 5.3.5 运行日志功能的实现
• 5.4 系统实例
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢