高速铁路道岔数控龙门铣床结构优化设计研究
发布时间：2021-10-17 09:09
近年来高铁行业发展迅速,其中高速铁路道岔作为铁路轨道的重要组成部分,其加工制造也得到越来越多的关注。高速铁路道岔通常使用高锰钢材料制成,属典型难加工材料,又由于道岔加工一般采用成型铣刀一次加工成型,属重切削类型,这就对加工设备提出了很高的要求。为了满足高铁道岔的加工需求,要求机床具有足够高的静动态刚度和良好的机床结构稳定性,另外,对机床的抗振性也提出了较高的要求。本文以高速铁路道岔数控龙门铣床为研究对象,利用有限元分析技术在机床设计阶段对其结构做了全面的静动态特性分析,并利用现代优化算法和有限元分析软件对机床关键零部件以及整机的结构做了尺寸优化。本文构建了高速铁路道岔数控龙门铣床的三维数模,建立了有限元模型,对其进行线性静力分析、模态分析,验证了铣床零部件及整机的刚度和强度。分析结果显示,立柱与横梁的最大变形量不能满足设计指标,需做后续优化。结合谐响应分析结果可知,需对整机结构进行优化以提高机床的固有频率。对立柱与横梁分别做了单工况单目标尺寸优化,优化后立柱、横梁以及铣床整机的最大变形量满足设计指标;针对铣床整机基频偏低问题,通过灵敏度分析找出影响铣床基频的关键尺寸,并对其进行单工况单...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数控龙门铣床的前视图
（3）铣床结构中存在一些较为复杂的特征，如曲率较小的曲面、锥度较小的曲面等，对这些复杂特征做平面化处理。（4）对于铣床整体结构有限元分析影响非常小的零部件，可直接删除或用质量块代替。将数控龙门铣床的三维模型导入到 HyperMesh 有限元仿真分析软件中进行有限元建模，根据铣床各个零部件结构的差异选用不同尺寸划分有限元网格，各个零部件网格尺寸在 60mm 到 80mm 之间。根据数控龙门铣床结构特点，对整机采用壳单元和六面体单元相结合的方式进行有限元网格划分。网格划分后对网格的 Jacobian（雅克比）、Aspect Ratio（纵横比）、Warpage（翘曲角）、Skew（扭曲度）、Tetra Collapse（四面体坍塌比）等参数进行检测，通过单元质量检查可知有限元模型网格单元质量的几何参数均满足要求，可以保证有限元模型的准确性。最终整机共划分 122869 个节点，129803 个单元。铣床大件的材料为灰铸铁 HT300，弹性模量为 130GPa，泊松比为 0.25，密度为 7400kg/m3。初始设计方案的高速铁路道岔数控龙门铣床三维模型和有限元模型如图 2.2，2.3 所示。
（3）铣床结构中存在一些较为复杂的特征，如曲率较小的曲面、锥度较小的曲面等，对这些复杂特征做平面化处理。（4）对于铣床整体结构有限元分析影响非常小的零部件，可直接删除或用质量块代替。将数控龙门铣床的三维模型导入到 HyperMesh 有限元仿真分析软件中进行有限元建模，根据铣床各个零部件结构的差异选用不同尺寸划分有限元网格，各个零部件网格尺寸在 60mm 到 80mm 之间。根据数控龙门铣床结构特点，对整机采用壳单元和六面体单元相结合的方式进行有限元网格划分。网格划分后对网格的 Jacobian（雅克比）、Aspect Ratio（纵横比）、Warpage（翘曲角）、Skew（扭曲度）、Tetra Collapse（四面体坍塌比）等参数进行检测，通过单元质量检查可知有限元模型网格单元质量的几何参数均满足要求，可以保证有限元模型的准确性。最终整机共划分 122869 个节点，129803 个单元。铣床大件的材料为灰铸铁 HT300，弹性模量为 130GPa，泊松比为 0.25，密度为 7400kg/m3。初始设计方案的高速铁路道岔数控龙门铣床三维模型和有限元模型如图 2.2，2.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的砂轮架体及电主轴的静动态特性分析[J]. 范晋伟,李相智,张红亮,印健,贾鑫. 组合机床与自动化加工技术. 2019(02)
[2]基于响应面模型和集成方法的数控机床整机优化[J]. 张在房,张佳翔. 组合机床与自动化加工技术. 2018(03)
[3]管体坡口专用加工机床主轴动态特性分析[J]. 李昭骏,杨赫然,孙兴伟. 机械工程与自动化. 2017(06)
[4]XK719数控铣床的结构尺寸优化[J]. 张疆平,关英俊,贾成阁,赵希禄. 机床与液压. 2016(15)
[5]TX-1600G数控镗铣加工中心镗削系统变结构动态特性分析[J]. 舒启林,王儒,姚渊,赵旭宁,祝振林. 组合机床与自动化加工技术. 2016(07)
[6]基于灵敏度分析的船式拖拉机机架结构优化设计[J]. 周明刚,张露,陈源,刘明勇,黄云朋. 农业工程学报. 2016(12)
[7]面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J]. 刘成颖,谭锋,王立平,蔡钊勇. 机械工程学报. 2016(03)
[8]数控龙门铣床主结构静动态特性分析[J]. 梁瑜洋,王益轩,高丹,陈荣荣. 西安工程大学学报. 2014(06)
[9]基于灵敏度分析的木薯收获机机架结构优化设计[J]. 廖宇兰,刘世豪,孙佑攀,马庆芬,林茂. 农业机械学报. 2013(12)
[10]基于动力学及切削特性耦合的数控机床结构设计[J]. 杨毅青,刘强,申江丽,田恺. 振动与冲击. 2013(10)
博士论文
[1]基于灵敏度分析的空间高光谱成像仪热控制技术研究[D]. 郭亮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]大型数控龙门铣床结构设计与虚拟样机研究[D]. 开剑波.西安工程大学 2016
[2]数控龙门铣床力学特性分析与多目标优化[D]. 伍伟.桂林电子科技大学 2015
[3]HDL-50加工中心关键件静动态特性分析及结构优化设计[D]. 李珊珊.大连理工大学 2014
[4]基于有限元法的XK2423数控铣床结构分析与优化[D]. 刘甚宏.长春工业大学 2014
[5]大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统优化设计方法研究[D]. 于亮.沈阳工业大学 2013
[6]卧式龙门铣床立柱力学性能分析[D]. 肖琪聃.河南科技大学 2009
[7]20-10FPS00NK龙门铣床的数控改造[D]. 钟灵.西北农林科技大学 2006
[8]基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D]. 李修平.华中科技大学 2005
本文编号：3441506
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
数控龙门铣床的前视图
（3）铣床结构中存在一些较为复杂的特征，如曲率较小的曲面、锥度较小的曲面等，对这些复杂特征做平面化处理。（4）对于铣床整体结构有限元分析影响非常小的零部件，可直接删除或用质量块代替。将数控龙门铣床的三维模型导入到 HyperMesh 有限元仿真分析软件中进行有限元建模，根据铣床各个零部件结构的差异选用不同尺寸划分有限元网格，各个零部件网格尺寸在 60mm 到 80mm 之间。根据数控龙门铣床结构特点，对整机采用壳单元和六面体单元相结合的方式进行有限元网格划分。网格划分后对网格的 Jacobian（雅克比）、Aspect Ratio（纵横比）、Warpage（翘曲角）、Skew（扭曲度）、Tetra Collapse（四面体坍塌比）等参数进行检测，通过单元质量检查可知有限元模型网格单元质量的几何参数均满足要求，可以保证有限元模型的准确性。最终整机共划分 122869 个节点，129803 个单元。铣床大件的材料为灰铸铁 HT300，弹性模量为 130GPa，泊松比为 0.25，密度为 7400kg/m3。初始设计方案的高速铁路道岔数控龙门铣床三维模型和有限元模型如图 2.2，2.3 所示。
（3）铣床结构中存在一些较为复杂的特征，如曲率较小的曲面、锥度较小的曲面等，对这些复杂特征做平面化处理。（4）对于铣床整体结构有限元分析影响非常小的零部件，可直接删除或用质量块代替。将数控龙门铣床的三维模型导入到 HyperMesh 有限元仿真分析软件中进行有限元建模，根据铣床各个零部件结构的差异选用不同尺寸划分有限元网格，各个零部件网格尺寸在 60mm 到 80mm 之间。根据数控龙门铣床结构特点，对整机采用壳单元和六面体单元相结合的方式进行有限元网格划分。网格划分后对网格的 Jacobian（雅克比）、Aspect Ratio（纵横比）、Warpage（翘曲角）、Skew（扭曲度）、Tetra Collapse（四面体坍塌比）等参数进行检测，通过单元质量检查可知有限元模型网格单元质量的几何参数均满足要求，可以保证有限元模型的准确性。最终整机共划分 122869 个节点，129803 个单元。铣床大件的材料为灰铸铁 HT300，弹性模量为 130GPa，泊松比为 0.25，密度为 7400kg/m3。初始设计方案的高速铁路道岔数控龙门铣床三维模型和有限元模型如图 2.2，2.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS的砂轮架体及电主轴的静动态特性分析[J]. 范晋伟,李相智,张红亮,印健,贾鑫. 组合机床与自动化加工技术. 2019(02)
[2]基于响应面模型和集成方法的数控机床整机优化[J]. 张在房,张佳翔. 组合机床与自动化加工技术. 2018(03)
[3]管体坡口专用加工机床主轴动态特性分析[J]. 李昭骏,杨赫然,孙兴伟. 机械工程与自动化. 2017(06)
[4]XK719数控铣床的结构尺寸优化[J]. 张疆平,关英俊,贾成阁,赵希禄. 机床与液压. 2016(15)
[5]TX-1600G数控镗铣加工中心镗削系统变结构动态特性分析[J]. 舒启林,王儒,姚渊,赵旭宁,祝振林. 组合机床与自动化加工技术. 2016(07)
[6]基于灵敏度分析的船式拖拉机机架结构优化设计[J]. 周明刚,张露,陈源,刘明勇,黄云朋. 农业工程学报. 2016(12)
[7]面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究[J]. 刘成颖,谭锋,王立平,蔡钊勇. 机械工程学报. 2016(03)
[8]数控龙门铣床主结构静动态特性分析[J]. 梁瑜洋,王益轩,高丹,陈荣荣. 西安工程大学学报. 2014(06)
[9]基于灵敏度分析的木薯收获机机架结构优化设计[J]. 廖宇兰,刘世豪,孙佑攀,马庆芬,林茂. 农业机械学报. 2013(12)
[10]基于动力学及切削特性耦合的数控机床结构设计[J]. 杨毅青,刘强,申江丽,田恺. 振动与冲击. 2013(10)
博士论文
[1]基于灵敏度分析的空间高光谱成像仪热控制技术研究[D]. 郭亮.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
硕士论文
[1]大型数控龙门铣床结构设计与虚拟样机研究[D]. 开剑波.西安工程大学 2016
[2]数控龙门铣床力学特性分析与多目标优化[D]. 伍伟.桂林电子科技大学 2015
[3]HDL-50加工中心关键件静动态特性分析及结构优化设计[D]. 李珊珊.大连理工大学 2014
[4]基于有限元法的XK2423数控铣床结构分析与优化[D]. 刘甚宏.长春工业大学 2014
[5]大型数控龙门铣床主轴柔性传动系统优化设计方法研究[D]. 于亮.沈阳工业大学 2013
[6]卧式龙门铣床立柱力学性能分析[D]. 肖琪聃.河南科技大学 2009
[7]20-10FPS00NK龙门铣床的数控改造[D]. 钟灵.西北农林科技大学 2006
[8]基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D]. 李修平.华中科技大学 2005
本文编号：3441506
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