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SL-32数控车床床身设计性能分析与结构优化

作　者: 李锁斌
导　师: 尹志宏
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 结构优化虚拟样机仿真有限元灵敏度分析车床床身
分类号: TG519.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

目前在国内外,机床结构的性能分析和结构优化的研究与工程应用已经取得了很大的进展,但如何针对某一特定的机床,在设计阶段通过分析评价其性能以及对其结构作进一步修改,从而达到降低设计成本的设计则仍然包含许多需要解决的理论和技术问题,鉴于此,本文以云南某机床厂SL-32型号车床为研究对象,对车床床身的受力参数识别、结构性能分析及结构优化等方面进行了全面、系统、深入的研究,进而为企业提供了产品性能的分析依据和初步优化方案,本文在此研究探讨过程中,主要包含以下内容：全面系统的总结了机床结构性能分析的基本方法以及结构优化的研究现状。对车床整机进行建模。应用SOLIDWORKS软件进行车床零、部件的几何建模并进行整机装配,然后根据仿真和分析软件的要求,基于简化原理,对机床零部件进行相应简化。进行了车床床身的受力参数识别研究。SL-32车床由于结构复杂,技术精度高,结构及部件的运动和受力极其复杂,准确的确定结构部件及相关结构的受力和运动参数,对于车床的分析和改进有重要的意义。本文提出了将虚拟样机技术应用于机床上,建立了车床整机的虚拟样机模型并进行了整机的动力学和运动学仿真分析,在此基础上提取了床身结构其关键部位的动力学和运动学参数,为进行车床床身结构的性能分析及结构优化提供了基本参数。对车床床身结构的静、动态特性进行了分析研究。依据有限元结构分析原理对车床床身进行了静力学分析和模态分析,然后根据静力学分析和模态分析结果参数,进一步评价了床身的基本性能,研究表明,床身结构满足其性能要求,且存在一定设计余量。对车床床身结构进行了优化研究。基于车床床身还存在很大的设计余量,为了节省材料并探索出动态性能较佳的床身结构,在保证床身静刚度、强度的基础上,以床身低阶固频为目标,筋板布局、筋板设计参数及开砂孔为变量,对床身在有限元分析软件ANSYS Workbench平台上进行了结构优化研究。优化结果表明,优化后的床身结构其性能较优于原床身。最后通过分析研究,总结了机床床身设计的一般准则和方法。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-18
  1.1 课题研究的背景及意义  10
  1.2 基于有限元的结构分析发展概况  10-12
  1.3 基于有限元的结构动态优化在工程中的应用及研究现状  12-14
    1.3.1 结构优化设计方法及其工程应用概述  12-13
    1.3.2 机床结构动态优化设计的研究现状概述  13-14
  1.4 本文研究的主要内容  14-16
  1.5 本文章节安排  16-18
第二章机床整机运动学和动力学分析仿真  18-44
  2.1 引言  18-19
  2.2 多体系统动力学分析基本理论  19-25
    2.2.1 多刚体系统动力学基本物理量  20
    2.2.2 计算多刚体系统动力学中的运动学分析原理  20-22
    2.2.3 计算多刚体系统动力学中的动力学分析原理  22-25
  2.3 基于ADAMS的机床整机运动学及动力学分析仿真  25-42
    2.3.1 ADAMS软件概述  25-26
    2.3.2 ADAMS多刚体运动学方程  26-28
    2.3.3 ADAMS数值计算  28-29
    2.3.4 车床整机的运动学及动力学分析仿真过程  29-42
  2.4 本章小结  42-44
第三章车床床身结构的静、动态特性分析  44-72
  3.1 引言  44-45
  3.2 基于有限元的结构静力学分析基本理论  45-49
    3.2.1 预处理阶段  45-49
    3.2.2 求解阶段  49
    3.2.3 后处理阶段  49
  3.3 基于有限元的结构模态分析基本理论  49-52
  3.4 基于有限元的车床床身静态性能分析  52-62
    3.4.1 车床床身的几何建模及模型简化  52-54
    3.4.2 单元类型选取  54-55
    3.4.3 单元精度选择  55
    3.4.4 材料属性设置  55-56
    3.4.5 载荷的处理和加载  56-57
    3.4.6 边界条件处理及加载  57-58
    3.4.7 计算  58-60
    3.4.8 计算精度及其结果分析  60-62
  3.5 基于有限元的车床床身模态分析  62-69
  3.6 本章小结  69-72
第四章结构优化设计的理论基础  72-80
  4.1 引言  72
  4.2 优化数学模型的建立与求解  72-75
    4.2.1 结构优化设计数学模型的建立  72-73
    4.2.2 优化设计数学模型的求解方法  73-74
    4.2.3 优化设计的基本过程  74-75
  4.3 结构静、动刚度的影响因素及关系  75-77
    4.3.1 影响结构静刚度的因素  75-76
    4.3.2 影响结构动刚度的因素  76-77
    4.3.3 结构静、动态刚度关系  77
  4.4 变量化动态分析方法  77-78
  4.5 本章小结  78-80
第五章车床床身的结构优化  80-104
  5.1 引言  80-81
  5.2 床身结构的优化  81-83
    5.2.1 床身优化数学模型的建立  81-82
    5.2.2 床身结构优化方案  82-83
  5.3 车床床身结构布局的优选  83-89
    5.3.1 床身横向筋板数目灵敏度分析及确定  84-86
    5.3.2 床身纵向筋板数目灵敏度分析及确定  86-88
    5.3.3 床身竖直向筋板数目灵敏度分析及确定  88-89
    5.3.4 床身布局确定  89
  5.4 车床床身结构的参数优化  89-94
    5.4.1 横向筋板厚度(t1)灵敏度分析  90-91
    5.4.2 纵向筋板厚度(t2)灵敏度分析  91-92
    5.4.3 竖直方向筋板厚度(t3)灵敏度分析  92-94
  5.5 床身开砂孔的确定  94-95
    5.5.1 元结构上开砂孔形状和大小的确定  94-95
    5.5.2 元结构开孔数目的确定  95
  5.6 床身最终结构的确定  95-97
  5.7 优化床身模态分析  97-101
    5.7.1 模态结果观察  97-99
    5.7.2 结果分析  99-101
  5.8 本章小结  101-104
第六章结论与展望  104-108
  6.1 本文研究工作及结论  104-106
    6.1.1 本文研究工作  104-106
    6.1.2 本文研究结论  106
  6.2 论文的后续研究展望  106-108
致谢  108-110
参考文献  110-114
附录A 攻读硕士期间发表的论文  114

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