数控平面磨床的动态特性分析与结构拓扑优化

发布时间：2017-10-16 23:02

  本文关键词：数控平面磨床的动态特性分析与结构拓扑优化

  更多相关文章： 平面磨床 模态分析 薄弱环节 拓扑优化 结构改进

【摘要】：平面磨床因其加工精度高、结构紧凑、传动平稳可靠、通用性好等特点而被广泛应用于精密和超精密工件的加工中。随着加工技术的飞速发展,机床逐渐呈现出高速度、高效率、高精度和自动化的发展趋势,磨削加工在切削加工中所占的比重也越来越大,因此对机床的动态性能要求也越来越高。目前,机床的关键零部件的设计都是采用类比法仿制国外的产品或者采用传统的经验设计,使得设计出来的结构不够合理,其静动态特性得不到保证,直接影响到机床的加工精度和性能要求。因此,需要对机床的整机动态性能进行分析,并根据分析结果有针对性的加以改进,使得设计出来的机床满足预想的性能要求。本文以某数控卧轴矩台平面磨床为研究对象,运用有限元分析技术和结构拓扑优化并结合模态试验的方法,对其进行了模态分析和拓扑优化设计。主要研究内容如下:(1)根据数控卧轴矩台平面磨床的结构特点,在三维建模软件中建立磨床关键部件的三维实体模型,包括床身、工作台、立柱、拖板、磨头体以及其他的零部件,按照装配要求完成机床整机的装配。进行适当的简化之后导入至有限元分析软件进行前处理。对磨床主要结合部特性和结合面参数进行了分析和求解,建立考虑结合部特性的磨床整机的有限元模型。(2)用有限元软件对磨床整机进行模态分析,得到磨床前十二阶模态频率和振型,对磨床整机的动态特性分析结果进行探讨。通过试验模态分析方法对磨床整机的动态特性进行测试,根据测试结果验证有限元模态分析的正确性。结合有限元模态分析结果和实验数据,识别出磨床的振动薄弱环节。(3)通过拓扑优化的方法,利用Hyper Works软件中的Opti Struct模块对磨床的振动薄弱环节立柱进行拓扑优化设计,并根据分析结果设计新的结构模型。将立柱优化前后的静动态特性以及磨床整机的动态特性进行对比,结果表明立柱优化后,其静动态特性均有所提高,磨床整机的动态特性也得到了改善。
【关键词】：平面磨床 模态分析 薄弱环节 拓扑优化 结构改进
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG596
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 本课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 机床动态特性研究概况11-14
• 1.2.1 机械结构动态特性的研究方法11-13
• 1.2.2 机床动态特性的研究现状13-14
• 1.3 机床结构设计方法研究概况14-17
• 1.3.1 结构优化设计的研究方法14-15
• 1.3.2 拓扑优化的发展及研究现状15-17
• 1.3.3 机床结构优化设计的研究现状17
• 1.4 本文的主要研究内容17-20
• 1.4.1 研究的对象17-18
• 1.4.2 研究的主要内容18-20
• 第2章 动态特性分析与结构优化设计方法20-34
• 2.1 动态特性及模态分析理论20-21
• 2.1.1 机床动态特性的基本概念20
• 2.1.2 模态分析理论20-21
• 2.2 试验模态分析方法21-25
• 2.2.1 试验模态分析理论22-23
• 2.2.2 试验模态分析系统及分析步骤23
• 2.2.3 传递函数的计算23-24
• 2.2.4 参数识别24-25
• 2.3 有限元结构动力学分析25-26
• 2.4 结构优化设计理论与方法26-33
• 2.4.1 结构优化设计理论26-27
• 2.4.2 连续体结构拓扑优化方法27-29
• 2.4.3 结构拓扑优化算法29-31
• 2.4.4 OptiStruct简介31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 磨床整机的动态特性分析与实验研究34-50
• 3.1 数控卧轴矩台平面磨床的基本结构34-35
• 3.2 磨床整机三维CAD模型的建立35-36
• 3.3 结合面的分析36-40
• 3.3.1 结合面简介36
• 3.3.2 结合部的等效动力学模型36-37
• 3.3.3 磨床主要结合面参数的确定37-40
• 3.4 磨床整机有限元模型的建立40-42
• 3.4.1 动力学建模方法简介40-41
• 3.4.2 磨床整机的有限元模型41-42
• 3.5 磨床整机的有限元模态分析42-45
• 3.6 磨床的试验模态分析45-49
• 3.6.1 试验系统及试验方案46-48
• 3.6.2 试验模态分析48-49
• 3.7 本章小结49-50
• 第4章 磨床主要零部件有限元分析及优化50-69
• 4.1 磨床立柱结构的静动态特性分析50-59
• 4.1.1 立柱结构的静力学分析50-52
• 4.1.2 立柱结构的动态特性分析52-54
• 4.1.3 基于SIMP方法的拓扑优化数学模型54-57
• 4.1.4 立柱拓扑优化的基本思想57-58
• 4.1.5 立柱拓扑优化结果58-59
• 4.3 立柱的改进模型及分析59-64
• 4.3.1 立柱改进前后的筋板结构模型59-60
• 4.3.2 新立柱结构的静力学分析60-61
• 4.3.3 新立柱结构的动态特性分析61-62
• 4.3.4 立柱优化前后静态特性对比62-63
• 4.3.5 立柱优化前后动态特性对比63-64
• 4.4 立柱优化前后整机的动态特性对比64-67
• 4.4.1 立柱优化后的整机模态分析64-67
• 4.4.2 立柱优化前后整机动态特性对比67
• 4.5 本章小结67-69
• 第5章 论文总结与展望69-71
• 5.1 论文总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 在学期间发表的学术论文与研究成果75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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2 何杰,陈新,毛海军,陈南,孙庆鸿;虚拟制造技术在高精度内圆磨床开发中的应用[J];制造业自动化;2000年08期

3 周克民,李俊峰,李霞;结构拓扑优化研究方法综述[J];力学进展;2005年01期

4 周新建;王若飞;吴智恒;阮航;胡维东;;基于Hypermesh的立式加工中心立柱结构的拓扑优化[J];华东交通大学学报;2013年06期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 纪国伟;无心外圆磨床结构动态分析与优化设计研究[D];东南大学;2006年

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本文编号：1045372