基于機(jī)床整機(jī)剛度特性的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、機(jī)床支承件設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)中的重要組成。隨著機(jī)床高速高效高精化的發(fā)展，傳統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的支承件設(shè)計(jì)方法已逐漸滿足不了現(xiàn)代機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。有限元法與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法越來(lái)越受到工程師的重視，具有科學(xué)性且能夠大大縮短設(shè)計(jì)周期。運(yùn)用有限元法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及熱態(tài)特性分析，為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法提供校核依據(jù)。本課題來(lái)源于國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)與工具集研發(fā)及其典型產(chǎn)品應(yīng)用”(NO.2012ZX040

2、10-011)。本文結(jié)合專(zhuān)項(xiàng)中的平床身數(shù)控車(chē)床，對(duì)車(chē)床的結(jié)構(gòu)特性及整機(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行研究，分析不同位置工況的機(jī)床整機(jī)靜態(tài)特性與支承件多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)工況權(quán)重系數(shù)的關(guān)系。為改進(jìn)床身結(jié)構(gòu)性能，對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后對(duì)床身結(jié)構(gòu)方案改進(jìn)進(jìn)行了探討。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴介紹有限元法理論，對(duì)有限元法的基礎(chǔ)原理進(jìn)行闡述，給出了運(yùn)用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的一般求解步驟。對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論進(jìn)行描述，包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓

3、撲優(yōu)化三個(gè)層次，介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程。⑵研究了平床身數(shù)控車(chē)床的結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合車(chē)床切削載荷公式進(jìn)行切削載荷求解。運(yùn)用有限元接觸方法對(duì)滑軌結(jié)合面進(jìn)行等效，得到滑軌結(jié)合面的接觸等效模型。采用赫茲接觸理論對(duì)軸承、滾珠絲杠副的接觸剛度進(jìn)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(chē)床的整機(jī)計(jì)算模型，采用有限元方法對(duì)車(chē)床在工作空間的九個(gè)位置工況進(jìn)行了整機(jī)靜態(tài)性能計(jì)算。基于整機(jī)靜態(tài)位移場(chǎng)提取位移數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理得到機(jī)床的剛度

4、分布曲線。對(duì)剛度曲線進(jìn)行分析，得到床身多工況拓?fù)鋬?yōu)化的位置工況權(quán)重系數(shù)。⑷建立床身載荷的力學(xué)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(dòng)態(tài)性能加權(quán)的拓?fù)鋬?yōu)化模型，采用OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化分析軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到床身在工況下的最佳材料分布?；谕?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)床身進(jìn)行了基于滑軌結(jié)合面位移最小的尺寸優(yōu)化，得到最優(yōu)尺寸方案。通過(guò)原結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，在Z軸九個(gè)位置工況改進(jìn)