树脂矿物复合材料磨床床身有限元分析及结构优化

发布时间：2017-09-21 09:20

  本文关键词：树脂矿物复合材料磨床床身有限元分析及结构优化

  更多相关文章： 树脂矿物复合材料 ANSYS Workbench 有限元分析 结构优化 拓扑优化

【摘要】：在机床各部件中,床身具有支撑头架、工件、尾架、工作台等主要零部件的重要作用,其静、动态特性参数与机床加工精度、使用寿命等密切相关。高刚度和高阻尼性能是精密机床床身的两个基本要求,但具有高刚度的金属材料往往阻尼性能比较差,反之,阻尼性能好的金属材料往往不能获得较高的刚度。研究开发具有优良阻尼减振性能的床身新材料已成为提高床身综合性能的有效途径之一。本文在前人研究工作基础上对树脂矿物复合材料整体浇注而成床身展开相关研究。首先对典型工况下床身进行受力分析,将床身以上部件的重力和切削力以压力和扭矩的形式施加到床身的主要受力面上。根据受力状态计算结果,使用仿真软件ANSYS Workbench分别对树脂矿物复合材料与铸铁材料两种材质床身结构进行静态仿真分析,获得了两种材料床身各个方向的变形、等效应力云图,结果显示树脂矿物复合材料床身结构除Z向变形稍大外,其余各向变形均小于铸铁材料床身,且其大变形部位较少,整体床身变形起伏较小,表明树脂矿物复合材料床身静力学性能与铸铁材料床身相当,能够满足使用要求。分别对树脂矿物复合材料和铸铁材料两种材质床身进行模态分析仿真计算,得到两种材料床身前八阶模态固有频率与振型图并进行了比较分析。分析结果表明,树脂矿物复合材料床身固有频率明显高于铸铁材料床身。分别对两种材料床身进行谐响应分析,得到其振幅频率响应曲线。分析结果表明,树脂矿物复合材料床身各向振动幅值均明显小于铸铁材料床身。研究结果表明,树脂矿物复合材料床身动态性能明显优于铸铁材料床身。为了进一步提高树脂矿物复合材料床身的综合性能,以床身壁厚和肋板厚度为设计变量,以最大静态变形、前两阶模态固有频率和质量作为目标函数,对树脂矿物复合材料床身进行优化。通过参数分析计算出各目标函数分别对于两个设计变量的灵敏度,得出床身壁厚和肋板厚度的最佳方案,获得床身的结构改进方案。对改进设计的床身进行有限元分析,分析结果表明：优化设计的床身静、动态性能均优于原床身,但其质量相对于原床身有一定程度的增大,为了实现床身的轻量化,进而对优化后床身进行拓扑优化。根据拓扑优化结果,进一步提出床身的结构改进方案,并对方案进行多目标优化,使优化后的树脂矿物复合材料床身在获得优良综合性能的基础上,减轻床身质量,节约材料,降低成本。
【关键词】：树脂矿物复合材料 ANSYS Workbench 有限元分析 结构优化 拓扑优化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 引言13-14
• 1.2 树脂矿物复合材料14-18
• 1.2.1 树脂矿物复合材料组成成分14-16
• 1.2.2 树脂矿物复合材料特性分析16-17
• 1.2.3 树脂矿物复合材料在机床上的应用17-18
• 1.3 树脂矿物复合材料床身国内外研究现状18-20
• 1.3.1 国外研究现状18-19
• 1.3.2 国内研究现状19-20
• 1.4 本文主要研究内容及意义20-23
• 1.4.1 本文主要研究内容20-21
• 1.4.2 研究意义21-23
• 第2章 树脂矿物复合材料床身静力学分析23-43
• 2.1 机床原型介绍23
• 2.2 树脂矿物复合材料床身设计23-25
• 2.3 结构静力分析基础25-26
• 2.4 床身受力分析26-34
• 2.4.1 工件受力分析26-28
• 2.4.2 头架、尾架、工作台整体分析28-31
• 2.4.3 工作台-滑鞍-砂轮架-砂轮受力分析31-34
• 2.5 床身结构有限元静力分析34-41
• 2.5.1 有限元法简介34-35
• 2.5.2 床身静态分析35-41
• 2.6 本章小结41-43
• 第3章 树脂矿物复合材料床身动态分析43-55
• 3.1 床身结构模态分析43-48
• 3.1.1 模态分析理论43-44
• 3.1.2 模态分析结果分析44-48
• 3.2 床身结构谐响应分析48-53
• 3.2.1 谐响应分析理论49
• 3.2.2 谐响应分析运动方程49
• 3.2.3 谐响应求解方法49-50
• 3.2.4 床身谐响应分析50-53
• 3.3 本章小结53-55
• 第4章 树脂矿物复合材料床身结构优化及有限元分析55-65
• 4.1 床身结构优化分析55-60
• 4.1.1 确定优化变量55-56
• 4.1.2 数学模型的建立56
• 4.1.3 结构优化分析56-60
• 4.2 床身拓扑优化60-63
• 4.2.1 拓扑优化概述60-61
• 4.2.2 床身拓扑优化61-63
• 4.3 本章小结63-65
• 第5章 结论与展望65-67
• 5.1 结论65-66
• 5.2 展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文71-73
• 致谢73-74
• 附件74

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本文编号：893662