树脂矿物复合材料精密车床床身结构强化及其优化设计

发布时间：2017-08-09 06:08

  本文关键词：树脂矿物复合材料精密车床床身结构强化及其优化设计

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【摘要】：树脂矿物复合材料(Resin Mineral Composite)俗称人造石,是以有机树脂粘合天然花岗石颗粒制备的新型复合材料。相比于传统基础结构件材料而言,树脂矿物复合材料具有其特有的优势,除较高的复杂外型成型能力外,其优越的阻尼减振性能、良好的热化学稳定性和耐化学腐蚀性也逐渐受到设计人员青睐。以上诸多优良特征使其非常适于制造精密设备基础部件,如高速和精密加工机床的床身、医疗设备以及光学设备的底座等。本文通过有限元仿真,探究树脂矿物复合材料精密车床床身的静、动态性能及其优化设计。对初始设计的铸铁床身进行受力分析,综合考虑工件与其他各部件的重力以及机床在加工过程中的切削力的作用,计算床身各受载表面的载荷分布可知,主轴箱以及机床尾座的安装表面受到均布载荷的作用,而床身两条导轨的上表面和侧面受到渐变载荷的作用。选定材料配方制作标准样块,测得材料相关性能参数,以备有限元仿真使用。利用ANSYS Workbench对初始设计的铸铁床身和演化设计而来的的树脂矿物复合材料精密车床床身进行标准静态结构仿真。结果表明,在同样的载荷与边界条件下,实心结构的树脂矿物复合材料精密车床床身静力学性能优于铸铁床身,表现为较小的变形以及应力水平。由模态分析结果可知,演化设计而来的树脂矿物复合材料精密车床床身前六阶模态对应的固有频率较初始设计的铸铁床身有较高的提升,说明采用当前床身结构设计方案,树脂矿物复合材料的静力学性能能够满足精密车床对床身材料的要求。通过形状优化模块对初始设计的树脂矿物复合材料精密车床床身进行基于应力分布的形状优化,参照优化结果给出的结构改进建议改进床身内部结构。改进后的树脂矿物复合材料精密车床床身在保证静力学性能的前提下床身总质量减少18%,节约生产成本。利用SCDM对改进后的床身进行尺寸的参数化管理,并以床身质量最小、变形最小、应力最小为目标对多个床身尺寸进行多目标驱动优化,获得优化目标对各尺寸的敏感程度以及床身最佳尺寸组合。对优化后的床身进行谐响应分析,获得床身对各方向不同频率周期载荷的响应。相比于初始设计的铸铁床身,演化设计的树脂矿物复合材料精密车床床身具有更加优越的动态性能,表现为床身对各频率周期载荷具有较低的敏感性。同时,谐响应分析结果可用于避免共振对床身造成结构损伤。本文对树脂矿物复合材料精密车床床身进行静、动力学仿真,并根据仿真结果进行结构强化和优化设计,为以后进一步设计开发以及实际应用奠定基础。
【关键词】：树脂矿物复合材料 有限元分析 床身结构强化 优化设计
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG51;TB33
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 树脂矿物复合材料简介13-20
• 1.1.1 树脂系统14-16
• 1.1.2 增强纤维16-17
• 1.1.3 骨料系统17-18
• 1.1.4 树脂矿物复合材料优缺点18-20
• 1.2 应用需求20-21
• 1.3 有限元理论概述21-22
• 1.3.1 有限元法的基本思想21-22
• 1.3.2 有限元法的求解步骤22
• 1.4 国内外研究现状22-24
• 1.5 本课题的研究内容和研究意义24-27
• 1.5.1 课题来源及其研究内容24
• 1.5.2 本课题研究意义24-27
• 第2章 有限元仿真参数获取27-41
• 2.1 材料参数获取27-31
• 2.1.1 样块制备27-28
• 2.1.2 材料密度28-29
• 2.1.3 弹性模量29-30
• 2.1.4 泊松比30-31
• 2.2 床身载荷分析31-39
• 2.2.1 主轴-工件-尾座支反力计算31-33
• 2.2.2 主轴箱处受力计算33-35
• 2.2.3 尾座部分受力分析35-37
• 2.2.4 床身导轨受力分析37-39
• 2.3 本章小结39-41
• 第3章 床身静力学分析与模态分析41-53
• 3.1 有限元分析软件ANSYS Workbench41-44
• 3.1.1 前处理41-43
• 3.1.2 求解43
• 3.1.3 后处理43-44
• 3.2 床身有限元分析44-51
• 3.2.1 铸铁床身与树脂矿物复合材料精密机床床身仿真条件44-45
• 3.2.2 静力学仿真结果45-47
• 3.2.3 模态仿真结果对比47-51
• 3.3 本章小结51-53
• 第4章 树脂矿物复合材料精密车床床身结构强化及优化设计53-67
• 4.1 床身形状优化53-54
• 4.2 床身结构改进54-58
• 4.2.1 改进后树脂矿物复合材料床身静力学分析结果55-56
• 4.2.2 改进后树脂矿物复合材料床身模态分析结果56-57
• 4.2.3 改进后树脂矿物复合材料床身仿真结果分析57-58
• 4.3 多目标驱动优化58-62
• 4.3.1 确定变量58-59
• 4.3.2 建立数学模型59-60
• 4.3.3 优化结果60-62
• 4.4 谐响应分析62-66
• 4.4.1 谐响应分析原理62-63
• 4.4.2 谐响应分析结果63-66
• 4.5 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文77-78
• 学位论文评阅及答辩辩情况表78

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本文编号：643796