HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计

发布时间：2017-09-02 22:10

  本文关键词：HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计

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【摘要】：激光切割机已逐渐成为现代机械加工中重要的母机。高速化、高精度发展趋势,对激光切割机本身结构设计提出了更高的要求,以保证激光切割机良好静动态特性。横梁作为激光切割机重要支撑部件,其动态特性决定着激光切割机性能。因此,本文主要针对激光切割机动态性能和横梁轻量化设计进行研究。围绕激光切割机动态性能和横梁结构优化设计主题,本文开展以下几个方面的研究：1.开展了直线滚动导轨静动刚度建模研究。首先,基于Hertz接触理论,考虑垂直载荷、变化接触角等影响因素,建立了直线滚动导轨垂直静刚度理论模型。在此基础上研究了垂直刚度影响因素及其变化规律,并通过有限元模型仿真验证垂直静刚度模型合理性；然后,基于分量分析法,识别了直线滚动导轨模态参数,通过弹簧阻尼单元建立直线滚导轨等效模型；2.开展了ADAMS和Hyperworks刚柔耦合多体动力学联合仿真研究。首先,基于刚柔耦合理论及固定界面点模态综合法,建立了激光切割机刚柔耦合动力学模型：然后,完成激光切割机加速度测试,并通过加速度-频域法分析激光切割机主要频率成分；最后,通过动力学仿真分析了激光切割机运动精度及横梁弹性变形对运动轨迹影响；3.开展了激光切割机动态特性及其影响因素分析。采用模态试验和有限元结合方法,建立了激光切割机精确有限元模型。以模态分析和频率响应分析为依据找到了影响最大几阶模态和振型。研究了动态特性影响因素及其变化规律,找到了激光切割机薄弱环节,为后期结构优化提供依据；4.开展了横梁轻量化设计研究。首先,运用Optistruct优化模块,采用变密度法,建立了以影响最大的几阶固有频率和柔度组合为优化目标拓扑优化模型。然后,基于拓扑优化进行了横梁构型设计和尺寸设计,最终获得横梁结构方案。分析结果表明,新方案与原方案相比,不仅减轻质量,还提高了激光切割机静动态特性,取得良好优化效果。
【关键词】：激光切割机 动态特性 结构优化 刚柔耦合 有限元分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG485
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 主要符号及下标说明10-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题研究背景及意义12
• 1.2 激光切割机概述12-15
• 1.2.1 激光切割机介绍12-14
• 1.2.2 数控激光切割机发展现状及趋势14-15
• 1.3 国内外机床结构研究进展15-17
• 1.3.1 机床动态特性研究现状16
• 1.3.2 机床结构优化设计研究现状16-17
• 1.4 课题主要内容17-19
• 第二章 直线滚动导轨静动刚度建模研究19-37
• 2.1 引言19-20
• 2.2 直线滚动导轨静刚度理论建模20-24
• 2.2.1 接触角计算20-22
• 2.2.2 直线导轨Hertz接触力计算22-23
• 2.2.3 直线滚动导轨垂直载荷下受力分析23-24
• 2.2.4 垂直刚度计算流程24
• 2.3 直线滚动导轨静刚度有限元仿真24-25
• 2.4 直线滚动导轨静刚度结果与讨论25-30
• 2.4.1 理论模型验证25-28
• 2.4.2 垂直载荷及预紧对垂直刚度影响28-29
• 2.4.3 结构参数对垂直刚度影响29-30
• 2.5 直线滚动导轨模态参数识别30-35
• 2.5.1 直线滚动导轨参数识别试验设计30-31
• 2.5.2 参数识别数据处理31-34
• 2.5.3 直线滚动导轨有限元等效模型34-35
• 2.6 本章小结35-37
• 第三章 基于ADAMS的激光切割机刚柔耦合动力学仿真37-54
• 3.1 引言37
• 3.2 刚柔耦合动力学理论基础37-39
• 3.2.1 机械系统刚柔耦合动力学模型37-38
• 3.2.2 固定界面点模态综合法(Craig-Bampton)38-39
• 3.3 刚柔耦合仿真模型建立39-45
• 3.3.1 模型简化40
• 3.3.2 约束建立40-41
• 3.3.3 接触定义41-43
• 3.3.4 导轨结合部建模43
• 3.3.5 横梁柔性体建模43-45
• 3.4 激光切割机加速度测试45-47
• 3.4.1 试验方案45-46
• 3.4.2 试验数据分析46-47
• 3.5 仿真结果分析47-52
• 3.5.1 激光切割机刚体动力学模型47-49
• 3.5.2 考虑横梁柔性的激光切割机刚柔耦合模型49-50
• 3.5.3 横梁柔性对运动精度影响分析50-51
• 3.5.4 惯性对运动精度影响分析51-52
• 3.6 本章小结52-54
• 第四章 HLH-2040激光切割机动态特性及影响因素分析54-73
• 4.1 引言54
• 4.2 结构动态分析理论基础54-56
• 4.2.1 模态分析理论54-55
• 4.2.2 模态频率响应分析55-56
• 4.2.3 模态试验理论56
• 4.3 激光切割机模态测试56-58
• 4.4 有限元模型建立与验证58-62
• 4.4.1 有限元模型建立58-59
• 4.4.2 计算模态结果分析59-60
• 4.4.3 试验模态与计算模态对比分析60-62
• 4.5 激光切割机横梁频率响应分析62-65
• 4.6 激光切割机动态特性影响因素分析65-71
• 4.6.1 位置变化对动态特性影响分析65-68
• 4.6.2 材料力学属性对动态特性影响分析68-70
• 4.6.3 结合部刚度对动态特性影响分析70-71
• 4.7 本章小结71-73
• 第五章 HLH-2040激光切割机横梁轻量化设计73-88
• 5.1 引言73
• 5.2 拓扑优化理论基础73-75
• 5.3 激光切割机横梁拓扑优化设计75-79
• 5.3.1 激光切割机横梁简介75
• 5.3.2 激光切割机横梁拓扑优化模型建立75-76
• 5.3.3 激光切割机横梁拓扑优化参数定义和设置76-78
• 5.3.4 激光切割机横梁拓扑优化结果分析78-79
• 5.4 基于板壳单元横梁拓扑优化设计79-81
• 5.4.1 基于板壳单元横梁拓扑模型建立79-80
• 5.4.2 基于板壳单元横梁拓扑优化结果分析80-81
• 5.5 激光切割机横梁尺寸优化设计81-84
• 5.5.1 横梁尺寸优化模型建立81
• 5.5.2 SQP算法介绍81-82
• 5.5.3 横梁尺寸优化设计变量定义82-83
• 5.5.4 尺寸优化结果83-84
• 5.6 激光切割机优化前后性能对比84-87
• 5.7 本章小结87-88
• 第六章 总结与展望88-91
• 6.1 工作总结88-89
• 6.2 研究展望89-91
• 致谢91-93
• 参考文献93-98
• 附录A 直线滚动导轨垂直刚度部分求解程序98-99
• 附录B 直线滚动导轨的实频与虚频曲线图99-101
• 附录C 激光切割机横梁优化前后振型对比图101-103
• 附录D 优化前后横梁和镜座动态响应对比图103

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