基于结构仿生原理的深孔钻床关键件优化设计研究
发布时间：2021-10-25 08:03
随着我国深孔加工技术的迅猛发展,深孔机床在制造业中拥有不可替代的位置,其床身的动静态性能和自身质量对整机性能均有影响。但是传统的深孔机床床身多采用经验设计或者仿照国外产品,故而导致其结构冗余、质量过大等问题,从而也就直接影响了孔的加工质量。因此,突破传统设计,探究合理有效的优化方法,对深孔加工技术的发展具有重要意义。结构仿生是一种利用仿生学原理,通过提取自然界生物体结构中有益的构型规律或特点,并将其应用于机械结构优化设计的有效方法。本文以结构仿生优化作为关键技术,以Z8016小直径深孔钻床床身作为研究对象,设计了一种基于龟壳结构的床身筋板布局,并对其进行了拓扑优化和尺寸参数优化设计,最终确定了可用于实际生产的综合优化型床身。研究内容包括:（1）基于UG软件的床身原始结构的参数化建模和有限元分析。介绍了Z8016小直径深孔钻床的基本参数以及床身构型特点,利用UG建立床身三维模型,导入ANSYS对它进行模态分析与静力学分析,求得床身的位移云图以及应力云图,提取了床身的前5阶固有频率及振型图,并对结果进行分析。研究表明,发现床身应力和位移分布不均、结构强度和刚度存在较大的冗余。（2）基于结构...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于颈椎结构的仿生机床主轴滑枕
原型回转工作台 王莲叶脉 综合优化型回转工作台图 1.2 仿生型回转工作台刘良宝、陈五一[24]等以王莲叶脉分支结构形态为仿生原型，以飞机盖板为优化对象，结合 ANSYS 软件对其内侧筋板进行仿生优化设计，为了达到更好的效果，还对筋板关键尺寸进行参数优化。经分析表明，虽然仿生型盖板较原型结构优化不是特别明显，但对其尺寸优化后的仿生型盖板在结构效能、比强度方面有较大改善，质量明显减小。所以，要想有效提高优化对象的力学性能，对仿生模型关键尺寸设计必须合理。吴华锋[25]等以王棕树干及其叶柄为仿生原型，通过有限元仿真，对它们进行定性研究，发现了有用的多孔结构以及三分叉结构，将风力机作为优化对象，提取上述构型规律，分别对风力机关键件（塔架以及叶片）进行仿生优化设计。较原型相比，仿生型加强筋的分布体现出更好的承载能力与横向抗曲能力；优化后的叶根结构虽然增大了，但其柔韧性也随之增大了，这样更能保护叶根结构。此次优化虽有一定效果，但也存在一些不足，即对王棕树干及其叶柄的分析过于片面，还需从力学角度出发，多方面分析。
1.2.3 结构仿生在机床领域的应用研究随着国内外研究者不断地探索以及结构优化法的发展，众多具有创造性的优化设计方法也在不断地被挖掘出来。其中，将结构仿生优化运用于机床的结构设计的方法为优化设计开辟了新天地。近年来，机床结构仿生优化设计的研究取得了令人瞩目的成果[28]现阶段，国内学者颇为重视运用结构仿生理论对机床结构件进行优化的设计方法，北航的陈五一教授已针对多种机床结构件，运用结构仿生的手段，对它们进行优化设计并取得了一定的成果[29-31]。如通过对叶片抛磨机立柱内部结构形式基于生物体骨架载荷路径的仿生设计，提高了其比刚度；研究王莲叶脉构型特点，对 Lin MC6000 型龙门加工中心横梁的筋板结构形式重新设计，其整体结构效能明显提升。广西工学院的项忠珂提取茎秆结构特性，针对加工中心的工作台结构重构出仿生型工作台，并利用 ANSY对其进行有限元分析，然后与原型工作台的性能参数进行分析对比，结果表明仿生型工作台性能更加优越[32]，如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多频拓扑优化的深孔机床床身动态分析[J]. 薄瑞峰,阴书玉,闫帅印,沈兴全. 机械设计与研究. 2015(06)
[2]基于叶脉分枝结构的飞机盖板结构仿生设计[J]. 刘良宝,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2013(12)
[3]基于拓扑优化的深孔钻床主轴箱的结构重构[J]. 张宏博,薄瑞峰,游小红,沈兴全. 机床与液压. 2013(07)
[4]基于颈椎结构的机床主轴滑枕仿生优化设计[J]. 高瀚君,陈五一. 机床与液压. 2013(05)
[5]具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析[J]. 周怡,郭策,朱春生,戴振东. 中国机械工程. 2011(16)
[6]基于灵敏度分析的机床轻量化设计[J]. 郭垒,张辉,叶佩青,段广洪. 清华大学学报(自然科学版). 2011(06)
[7]基于有限元的加工中心工作台筋板的仿生优化[J]. 项忠珂,李尚平,唐满宾. 组合机床与自动化加工技术. 2010(11)
[8]基于仿生学的机翼结构刚度和强度设计研究[J]. 王飞,何景武. 飞机设计. 2010(04)
[9]一种基于ESO算法的结构拓扑优化方法[J]. 熊楚杨,陈五一,郭世军. 机械设计与制造. 2009(10)
[10]低RCS立柱结构仿生设计及仿真分析[J]. 焦洪杰,张以都,陈五一,赵岭. 武汉理工大学学报. 2009(05)
博士论文
[1]树状结构找形优化分析及结构性能研究[D]. 张倩.天津大学 2014
硕士论文
[1]重型立式车床滑枕部件的结构研究与设计[D]. 杨建民.燕山大学 2014
[2]T2120深孔钻镗床基础件的参数化设计与拓扑优化研究[D]. 潘红军.中北大学 2014
[3]可重构深孔加工机床的设计与研究[D]. 张猛.中北大学 2013
[4]棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生[D]. 吴华锋.华南理工大学 2013
[5]高速卧式加工中心立柱的轻量化设计[D]. 赵东平.兰州理工大学 2012
[6]立式车床回转工作台结构仿生优化设计研究[D]. 王向彬.吉林大学 2012
[7]仿蝴蝶翅膀微纳结构的优化设计[D]. 任飞多.华中科技大学 2012
[8]乌龟壳力学性能分析[D]. 张晨朝.大连理工大学 2011
[9]可重构深孔加工机床及关键技术研究[D]. 仝伟国.中北大学 2011
[10]基于有限元的CW6185车床副主轴箱结构分析及优化[D]. 高长松.兰州理工大学 2011
本文编号：3456985
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于颈椎结构的仿生机床主轴滑枕
原型回转工作台 王莲叶脉 综合优化型回转工作台图 1.2 仿生型回转工作台刘良宝、陈五一[24]等以王莲叶脉分支结构形态为仿生原型，以飞机盖板为优化对象，结合 ANSYS 软件对其内侧筋板进行仿生优化设计，为了达到更好的效果，还对筋板关键尺寸进行参数优化。经分析表明，虽然仿生型盖板较原型结构优化不是特别明显，但对其尺寸优化后的仿生型盖板在结构效能、比强度方面有较大改善，质量明显减小。所以，要想有效提高优化对象的力学性能，对仿生模型关键尺寸设计必须合理。吴华锋[25]等以王棕树干及其叶柄为仿生原型，通过有限元仿真，对它们进行定性研究，发现了有用的多孔结构以及三分叉结构，将风力机作为优化对象，提取上述构型规律，分别对风力机关键件（塔架以及叶片）进行仿生优化设计。较原型相比，仿生型加强筋的分布体现出更好的承载能力与横向抗曲能力；优化后的叶根结构虽然增大了，但其柔韧性也随之增大了，这样更能保护叶根结构。此次优化虽有一定效果，但也存在一些不足，即对王棕树干及其叶柄的分析过于片面，还需从力学角度出发，多方面分析。
1.2.3 结构仿生在机床领域的应用研究随着国内外研究者不断地探索以及结构优化法的发展，众多具有创造性的优化设计方法也在不断地被挖掘出来。其中，将结构仿生优化运用于机床的结构设计的方法为优化设计开辟了新天地。近年来，机床结构仿生优化设计的研究取得了令人瞩目的成果[28]现阶段，国内学者颇为重视运用结构仿生理论对机床结构件进行优化的设计方法，北航的陈五一教授已针对多种机床结构件，运用结构仿生的手段，对它们进行优化设计并取得了一定的成果[29-31]。如通过对叶片抛磨机立柱内部结构形式基于生物体骨架载荷路径的仿生设计，提高了其比刚度；研究王莲叶脉构型特点，对 Lin MC6000 型龙门加工中心横梁的筋板结构形式重新设计，其整体结构效能明显提升。广西工学院的项忠珂提取茎秆结构特性，针对加工中心的工作台结构重构出仿生型工作台，并利用 ANSY对其进行有限元分析，然后与原型工作台的性能参数进行分析对比，结果表明仿生型工作台性能更加优越[32]，如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于多频拓扑优化的深孔机床床身动态分析[J]. 薄瑞峰,阴书玉,闫帅印,沈兴全. 机械设计与研究. 2015(06)
[2]基于叶脉分枝结构的飞机盖板结构仿生设计[J]. 刘良宝,陈五一. 北京航空航天大学学报. 2013(12)
[3]基于拓扑优化的深孔钻床主轴箱的结构重构[J]. 张宏博,薄瑞峰,游小红,沈兴全. 机床与液压. 2013(07)
[4]基于颈椎结构的机床主轴滑枕仿生优化设计[J]. 高瀚君,陈五一. 机床与液压. 2013(05)
[5]具有层状纤维缠绕的仿甲虫鞘翅轻质结构的设计及其力学性能分析[J]. 周怡,郭策,朱春生,戴振东. 中国机械工程. 2011(16)
[6]基于灵敏度分析的机床轻量化设计[J]. 郭垒,张辉,叶佩青,段广洪. 清华大学学报(自然科学版). 2011(06)
[7]基于有限元的加工中心工作台筋板的仿生优化[J]. 项忠珂,李尚平,唐满宾. 组合机床与自动化加工技术. 2010(11)
[8]基于仿生学的机翼结构刚度和强度设计研究[J]. 王飞,何景武. 飞机设计. 2010(04)
[9]一种基于ESO算法的结构拓扑优化方法[J]. 熊楚杨,陈五一,郭世军. 机械设计与制造. 2009(10)
[10]低RCS立柱结构仿生设计及仿真分析[J]. 焦洪杰,张以都,陈五一,赵岭. 武汉理工大学学报. 2009(05)
博士论文
[1]树状结构找形优化分析及结构性能研究[D]. 张倩.天津大学 2014
硕士论文
[1]重型立式车床滑枕部件的结构研究与设计[D]. 杨建民.燕山大学 2014
[2]T2120深孔钻镗床基础件的参数化设计与拓扑优化研究[D]. 潘红军.中北大学 2014
[3]可重构深孔加工机床的设计与研究[D]. 张猛.中北大学 2013
[4]棕榈科植物结构力学性能研究与风力机仿生[D]. 吴华锋.华南理工大学 2013
[5]高速卧式加工中心立柱的轻量化设计[D]. 赵东平.兰州理工大学 2012
[6]立式车床回转工作台结构仿生优化设计研究[D]. 王向彬.吉林大学 2012
[7]仿蝴蝶翅膀微纳结构的优化设计[D]. 任飞多.华中科技大学 2012
[8]乌龟壳力学性能分析[D]. 张晨朝.大连理工大学 2011
[9]可重构深孔加工机床及关键技术研究[D]. 仝伟国.中北大学 2011
[10]基于有限元的CW6185车床副主轴箱结构分析及优化[D]. 高长松.兰州理工大学 2011
本文编号：3456985
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