基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计
发布时间：2021-03-29 01:49
“中国制造2025”提出了实现制造强国的战略目标,开发一批精密、高速、高效的高档数控机床是提升我国制造业创新发展能力和国际竞争力的必然途径。机床支承件是机床的重要组成部分,其结构设计的好坏直接影响到机床的最终性能和被加工件的品质,设计人员一直在积极探索高质量支承件的设计方法。目前,机床支承件的设计以类比法和经验法为主,设计结果过于保守,产品大而笨重,浪费材料。本文归纳总结了机床支承件的结构特点,提出以桁架拓扑优化进行机床支承件结构设计的方法,从结构受力的角度出发进行支承件的构型设计,采用ANSYS Workbench进行尺寸优化设计获得备选方案,并采用TOPSIS法进行方案优选,确定最终结果。研究内容主要分为以下几个方面:（1）简要介绍了结构优化的发展历史,综述了离散体和连续体及TOPSIS法的国内外研究现状。针对机床支承件结构设计存在的问题,提出了一种基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计方法。（2）通过分析支承件的结构构成,总结机床支承件的设计特点,引出本文的拓扑优化设计方法。以高阶Euler梁单元的有限元模型为理论基础,建立桁架的有限元模型,赋予桁架结构力学性能,在此基础上进行桁架...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景与意义
1.3 结构优化国内外研究及现状
1.3.1 结构优化概述
1.3.2 离散体优化国内外研究现状
1.3.3 连续体优化国内外研究现状
1.4 TOPSIS法国内外研究及现状
1.5 本文研究内容
2 基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计
2.1 基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计
2.1.1 机床支承件结构构成
2.1.2 机床支承件结构设计
2.2 基于桁架有限元理论的梁单元刚度矩阵推导
2.2.1 平面梁单元的刚度矩阵的推导
2.2.2 空间梁单元刚度矩阵的推导
2.2.3 高阶空间梁单元刚度矩阵的推导
2.3 本章小结
3 机床支承件的桁架拓扑优化设计
3.1 基结构法
3.2 单元结构构型设计
3.2.1 单元基结构
3.2.2 单元结构拓扑优化
3.2.3 单元结构优化分析实例
3.3 桁架结构构型设计
3.3.1 桁架基结构
3.3.2 桁架拓扑优化
3.4 本章小结
4 机床支承件结构设计与方案优选
4.1 支承件多目标优化的评价标准
4.2 基于桁架拓扑优化的支承件构型设计
4.2.1 机床支承件构型设计过程
4.2.2 桁架设计域
4.2.3 载荷等效
4.3 基于响应面法的支承件尺寸优化设计
4.3.1 基于响应面法的尺寸优化原理
4.3.2 基于响应面法的尺寸优化步骤
4.4 基于TOPSIS法的方案优选
4.4.1 TOPSIS法优选步骤
4.4.2 TOPSIS法应用的关键问题
4.5 本章小结
5 机床支承件结构设计实例
5.1 立式加工中心简介
5.2 支承件构型设计
5.3 支承件尺寸优化设计
5.4 基于TOPSIS法的方案评价及优选
5.5 结果分析
5.5.1 单元尺寸灵敏度分析
5.5.2 优化前后性能分析对比
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 高阶空间梁单元刚度矩阵程序
附录B 桁架拓扑优化的主函数
附录C 桁架拓扑优化的目标函数
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法[J]. 廖中源,王英俊,王书亭. 机械工程学报. 2019(08)
[2]基于尺寸优化的水轮发电机上机架轻量化设计[J]. 廖永宜,廖伯瑜. 水力发电. 2019(05)
[3]周期性多材料结构稳态热传导拓扑优化设计[J]. 赵清海,张洪信,华青松,蒋荣超,袁林. 工程力学. 2019(03)
[4]基于拓扑优化的扭力梁式轿车后桥结构轻量化设计[J]. 汪彬,陈光权,施卓奇,董卫平,Gaurav Kesireddy,张洪延. 汽车工程学报. 2019(02)
[5]基于竹节结构的保险杠横梁仿生优化及仿真分析[J]. 林云成,宋家锋,刘升福,邹猛. 汽车安全与节能学报. 2018(04)
[6]机床箱体有限元分析与轻量化设计[J]. 张焕梅,郭芸俊. 中北大学学报(自然科学版). 2018(06)
[7]基于龟壳结构的深孔钻床床身筋板仿生优化设计[J]. 张莹,薄瑞峰,郭晓南,沈兴全. 机械设计与研究. 2018(04)
[8]Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization[J]. Ya-Li Ma,Jian-Rong Tan,De-Lun Wang,Zi-Zhe Liu. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[9]拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法[J]. 刘书田,李取浩,陈文炯,张永存. 航空制造技术. 2017(10)
[10]传统TOPSIS法和熵权TOPSIS法在东部地区中医药事业发展现状评价的应用[J]. 沈雅萍,丁方然,石诗雯,洪宝林. 中医药导报. 2016(22)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[2]基于多种赋权TOPSIS方法的矿业上市公司业绩综合评价研究[D]. 赵恒勤.中国地质大学(北京) 2016
[3]杆系结构形态创构方法研究[D]. 姜宝石.哈尔滨工业大学 2013
[4]基于TOPSIS法的多元质量特性优化方法研究[D]. 王颖.天津大学 2007
硕士论文
[1]基于AHP-TOPSIS法的高标准基本农田划定研究[D]. 薛志斌.河南农业大学 2018
[2]铣车复合加工中心立柱结构拓扑优化及仿生设计研究[D]. 杨忠泮.兰州理工大学 2017
[3]非平稳随机地震下桁架结构形状与拓扑优化[D]. 李栋泓.华南理工大学 2016
[4]复杂支承件结构单元构型—性能—尺寸设计方法研究[D]. 郝佳亮.大连理工大学 2016
[5]基于TOPSIS法的球形蜗杆砂轮磨齿机床身结构优选设计研究[D]. 许亚钢.燕山大学 2016
[6]多工况下连续体结构拓扑优化的基结构方法[D]. 卜鹤群.南京航空航天大学 2012
本文编号：3106661
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 课题来源
1.2 研究背景与意义
1.3 结构优化国内外研究及现状
1.3.1 结构优化概述
1.3.2 离散体优化国内外研究现状
1.3.3 连续体优化国内外研究现状
1.4 TOPSIS法国内外研究及现状
1.5 本文研究内容
2 基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计
2.1 基于桁架拓扑优化的机床支承件结构设计
2.1.1 机床支承件结构构成
2.1.2 机床支承件结构设计
2.2 基于桁架有限元理论的梁单元刚度矩阵推导
2.2.1 平面梁单元的刚度矩阵的推导
2.2.2 空间梁单元刚度矩阵的推导
2.2.3 高阶空间梁单元刚度矩阵的推导
2.3 本章小结
3 机床支承件的桁架拓扑优化设计
3.1 基结构法
3.2 单元结构构型设计
3.2.1 单元基结构
3.2.2 单元结构拓扑优化
3.2.3 单元结构优化分析实例
3.3 桁架结构构型设计
3.3.1 桁架基结构
3.3.2 桁架拓扑优化
3.4 本章小结
4 机床支承件结构设计与方案优选
4.1 支承件多目标优化的评价标准
4.2 基于桁架拓扑优化的支承件构型设计
4.2.1 机床支承件构型设计过程
4.2.2 桁架设计域
4.2.3 载荷等效
4.3 基于响应面法的支承件尺寸优化设计
4.3.1 基于响应面法的尺寸优化原理
4.3.2 基于响应面法的尺寸优化步骤
4.4 基于TOPSIS法的方案优选
4.4.1 TOPSIS法优选步骤
4.4.2 TOPSIS法应用的关键问题
4.5 本章小结
5 机床支承件结构设计实例
5.1 立式加工中心简介
5.2 支承件构型设计
5.3 支承件尺寸优化设计
5.4 基于TOPSIS法的方案评价及优选
5.5 结果分析
5.5.1 单元尺寸灵敏度分析
5.5.2 优化前后性能分析对比
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 高阶空间梁单元刚度矩阵程序
附录B 桁架拓扑优化的主函数
附录C 桁架拓扑优化的目标函数
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法[J]. 廖中源,王英俊,王书亭. 机械工程学报. 2019(08)
[2]基于尺寸优化的水轮发电机上机架轻量化设计[J]. 廖永宜,廖伯瑜. 水力发电. 2019(05)
[3]周期性多材料结构稳态热传导拓扑优化设计[J]. 赵清海,张洪信,华青松,蒋荣超,袁林. 工程力学. 2019(03)
[4]基于拓扑优化的扭力梁式轿车后桥结构轻量化设计[J]. 汪彬,陈光权,施卓奇,董卫平,Gaurav Kesireddy,张洪延. 汽车工程学报. 2019(02)
[5]基于竹节结构的保险杠横梁仿生优化及仿真分析[J]. 林云成,宋家锋,刘升福,邹猛. 汽车安全与节能学报. 2018(04)
[6]机床箱体有限元分析与轻量化设计[J]. 张焕梅,郭芸俊. 中北大学学报(自然科学版). 2018(06)
[7]基于龟壳结构的深孔钻床床身筋板仿生优化设计[J]. 张莹,薄瑞峰,郭晓南,沈兴全. 机械设计与研究. 2018(04)
[8]Light-Weight Design Method for Force-Performance-Structure of Complex Structural Part Based Co-operative Optimization[J]. Ya-Li Ma,Jian-Rong Tan,De-Lun Wang,Zi-Zhe Liu. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(02)
[9]拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法[J]. 刘书田,李取浩,陈文炯,张永存. 航空制造技术. 2017(10)
[10]传统TOPSIS法和熵权TOPSIS法在东部地区中医药事业发展现状评价的应用[J]. 沈雅萍,丁方然,石诗雯,洪宝林. 中医药导报. 2016(22)
博士论文
[1]桁架结构拓扑优化的理论与应用研究[D]. 高阁.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[2]基于多种赋权TOPSIS方法的矿业上市公司业绩综合评价研究[D]. 赵恒勤.中国地质大学(北京) 2016
[3]杆系结构形态创构方法研究[D]. 姜宝石.哈尔滨工业大学 2013
[4]基于TOPSIS法的多元质量特性优化方法研究[D]. 王颖.天津大学 2007
硕士论文
[1]基于AHP-TOPSIS法的高标准基本农田划定研究[D]. 薛志斌.河南农业大学 2018
[2]铣车复合加工中心立柱结构拓扑优化及仿生设计研究[D]. 杨忠泮.兰州理工大学 2017
[3]非平稳随机地震下桁架结构形状与拓扑优化[D]. 李栋泓.华南理工大学 2016
[4]复杂支承件结构单元构型—性能—尺寸设计方法研究[D]. 郝佳亮.大连理工大学 2016
[5]基于TOPSIS法的球形蜗杆砂轮磨齿机床身结构优选设计研究[D]. 许亚钢.燕山大学 2016
[6]多工况下连续体结构拓扑优化的基结构方法[D]. 卜鹤群.南京航空航天大学 2012
本文编号：3106661
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