基于竹子宏微观特性的立柱结构仿生设计

  随着现代制造技术的发展及现实需求的不断变化,对机床设计的要求越来越高。作为大型可移动部件的机床立柱,其静动态特性直接影响整机性能。但目前立柱的设计方法多为传统、保守的经验设计法,导致立柱结构的不合理,材料利用率低,难以到达最佳结构效能,从而制约了整机性能,降低了产品竞争力。因此,有必要对机床立柱进行结构创新设计及参数优化。本文基于结构仿生的设计理念,以竹子为生物原型,按照“竹子结构分析→圆柱体仿生设计→立柱仿生设计→结构参数优化”的研究思路,形成由圆柱体结构到立柱新构型两步走的设计方案,对TK6932超重型数控落地铣镗床立柱进行创新性结构设计和参数优化。论文主要内容及成果如下:(1)利用Pro/Engineer建立立柱结构的三维模型,导入ANSYS Workbench环境中建立其有限元模型,通过静刚度分析和模态分析,得到立柱静、动态特性等结构性能指标。(2)用实验的方法,结合现有资料数据,分析竹子的宏、微观结构特点及力学特性,并根据材料力学理论,得到竹子的微观结构特点与力学性能的关系;在此基础上,利用相似性理论,对机床立柱与竹子进行相似性分析,论证将竹子作为立柱仿生生物原型的合理性。(3)基于竹子的宏、微观结构特点,提出仿生设计准则,并基于此准则对圆柱体结构进行仿生设计;分析立柱的可优化空间,并结合圆柱体仿生结果,对立柱进行进一步的仿生结构设计,提出A、B两种立柱新构型,并通过评价与对比确定仿生立柱构型。(4)针对可优化仿生构型,建立以结构质量最轻、静态位移响应最小为目标的立柱结构优化数学模型;基于灵敏度分析方法确定设计变量,利用目标驱动优化技术进行多目标优化求解,得到仿生立柱的最优尺寸参数。

【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.1
【目录】：

【参考文献】

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