基于機床整機剛度特性的床身結構優(yōu)化設計.pdf

1、機床支承件設計是機床設計中的重要組成。隨著機床高速高效高精化的發(fā)展，傳統(tǒng)以經(jīng)驗為主導的支承件設計方法已逐漸滿足不了現(xiàn)代機床的設計要求。有限元法與拓撲優(yōu)化相結合的支承件結構設計方法越來越受到工程師的重視，具有科學性且能夠大大縮短設計周期。運用有限元法能夠?qū)Y構構型進行靜態(tài)、動態(tài)及熱態(tài)特性分析，為拓撲優(yōu)化設計方法提供校核依據(jù)。本課題來源于國家科技重大專項“高檔數(shù)控機床數(shù)字化設計關鍵技術與工具集研發(fā)及其典型產(chǎn)品應用”(NO.2012ZX040

2、10-011)。本文結合專項中的平床身數(shù)控車床，對車床的結構特性及整機靜態(tài)特性進行研究，分析不同位置工況的機床整機靜態(tài)特性與支承件多工況優(yōu)化設計工況權重系數(shù)的關系。為改進床身結構性能，對床身結構進行了拓撲優(yōu)化設計及尺寸優(yōu)化設計，最后對床身結構方案改進進行了探討。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹有限元法理論，對有限元法的基礎原理進行闡述，給出了運用有限元法進行結構分析的一般求解步驟。對結構優(yōu)化理論進行描述，包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓

3、撲優(yōu)化三個層次，介紹了結構優(yōu)化設計的一般流程。⑵研究了平床身數(shù)控車床的結構組成，結合車床切削載荷公式進行切削載荷求解。運用有限元接觸方法對滑軌結合面進行等效，得到滑軌結合面的接觸等效模型。采用赫茲接觸理論對軸承、滾珠絲杠副的接觸剛度進行等效，并求出軸承-絲杠系統(tǒng)聯(lián)合軸向剛度和徑向剛度。⑶建立數(shù)控車床的整機計算模型，采用有限元方法對車床在工作空間的九個位置工況進行了整機靜態(tài)性能計算?；谡麢C靜態(tài)位移場提取位移數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理得到機床的剛度

4、分布曲線。對剛度曲線進行分析，得到床身多工況拓撲優(yōu)化的位置工況權重系數(shù)。⑷建立床身載荷的力學求解模型，求解正常工況下作用在床身上的外載荷。建立基于多位置工況靜態(tài)性能與動態(tài)性能加權的拓撲優(yōu)化模型，采用OptiStruct拓撲優(yōu)化分析軟件進行拓撲優(yōu)化分析，得到床身在工況下的最佳材料分布?；谕負鋬?yōu)化結果對床身進行結構改進設計。對床身進行了基于滑軌結合面位移最小的尺寸優(yōu)化，得到最優(yōu)尺寸方案。通過原結構與改進結構對比分析，在Z軸九個位置工況改進