数控龙门铣床力学特性分析与多目标优化

发布时间：2017-09-25 19:23

  本文关键词：数控龙门铣床力学特性分析与多目标优化

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【摘要】：数控龙门铣床是机械加工的工作母机,是军工业、交通运输业和电力工业等领域重要的加工设备。随着对产品精度要求的提高,数控龙门铣床需要更好的综合性能来满足零件的加工精度。利用传统经验设计的数控龙门铣床的结构质量笨重,没有充分发挥结构的优点,因此,需要采用现代设计方法对数控龙门铣床结构进行优化设计。本文以国内某公司生产的数控龙门铣床为研究对象,研究了数控龙门铣床结构的静动态特性,对结构进行了改进与优化。本文研究的主要内容如下:1.建立了数控龙门铣床结构的三维模型与有限元模型。根据原有数控龙门铣床设计图纸,采用Solidworks软件建立了数控龙门铣床的三维模型。分析了数控龙门铣床极限加工工况,利用有限元简化的原则建立了数控龙门铣床结构的有限元仿真模型。2.研究了数控龙门铣床关键零部件及整机的力学特性。对数控龙门铣床横梁、立柱与整机进行静动态特性分析,得到了在极限工况下的变形与应力分布情况,获取了前6阶振型及固有频率,找到了薄弱环节,为后续结构改进和优化设计提供依据。3.改进了数控龙门铣床整机结构的力学特性。根据数控龙门铣床整机的静动态性能分析,找到整机的薄弱环节,对整机进行了结构改进。4.优化了数控龙门铣床关键零部件的力学特性。根据数控龙门铣床横梁与立柱部件的静动态分析结果,结合正交试验、响应面模型和遗传算法对6个尺寸参数进行多目标优化设计。优化后横梁最大变形量基本不变,一阶固有频率增加了5.52%,质量减少了11.68%。优化后立柱一阶固有频率基本不变,最大变形量减少了4.39%,质量减少了10.45%。5.验证了零部件优化后对整机静动态性能改善的效果。将横梁和立柱结构优化后的模型重新装配成整机,分析了优化后整机的静动态特性,并与原整机模型性能进行对比分析,优化后整机将避免了共振的发生,且x、y和z向刚度分别提高了12.47%、10.16%、26.37%,前4阶固有频率分别增加了28.72%,7.03%,18.02%,2.60%,整机质量减少了1480kg,比原整机质量减少比重为5.24%,提高了整机的静动态性能且同时减小了质量,达到优化的目的。
【关键词】：数控龙门铣床 静动态特性 多目标优化 响应面模型 遗传算法
【学位授予单位】：桂林电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG547
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-14
• §1.1 引言8
• §1.2 课题研究背景和意义8-9
• §1.2.1 课题来源8
• §1.2.2 课题研究的背景8-9
• §1.2.3 课题研究意义9
• §1.3 国内外研究现状9-12
• §1.3.1 静、动态特性的国内外研究现状9-11
• §1.3.2 结构优化设计的国内外研究现状11-12
• §1.4 本文主要研究内容12-14
• 第二章 数控龙门铣床关键零部件及整机静态特性研究14-27
• §2.1 引言14
• §2.2 数控龙门铣床简介及三维模型的建立14-16
• §2.2.1 数控龙门铣床简介14-15
• §2.2.2 数控龙门铣床三维模型建立15-16
• §2.3 结构静力学有限元求解方法16-17
• §2.4 切削力计算及极限工况的确定17-19
• §2.4.1 切削力计算17-18
• §2.4.2 数控龙门铣床极限工况确定18
• §2.4.3 有限元模型建立方法18-19
• §2.5 数控龙门铣床关键零部件静态特性分析19-23
• §2.5.1 横梁和立柱受力情况分析19-20
• §2.5.2 横梁静力学分析20-21
• §2.5.3 立柱静力学分析21-23
• §2.6 数控龙门铣床整机静态特性分析23-26
• §2.6.1 整机有限元模型建立23-24
• §2.6.2 数控龙门铣床接触与材料设置24
• §2.6.3 整机静力学分析求解24-25
• §2.6.4 数控龙门铣床整机的静刚度25-26
• §2.7 本章总结26-27
• 第三章 数控龙门铣床关键零部件及整机动态特性研究27-35
• §3.1 引言27
• §3.2 结构动力学有限元求解方法27-28
• §3.3 数控龙门铣床关键零部件动态特性分析28-31
• §3.3.1 横梁的模态分析28-30
• §3.3.2 立柱的模态分析30-31
• §3.4 数控龙门铣床整机模态分析31-34
• §3.4.1 数控龙门铣床整机模态分析31-33
• §3.4.2 数控龙门铣床整机结构改进33-34
• §3.5 本章总结34-35
• 第四章 基于响应面法的关键零部件多目标优化设计35-60
• §4.1 引言35
• §4.2 多目标优化的基本理论35-36
• §4.3 遗传算法及其基本原理36-38
• §4.4 结构的优化设计流程38-39
• §4.5 横梁的尺寸优化设计39-56
• §4.5.1 正交试验方法与理论39-40
• §4.5.2 横梁正交试验方案及结果分析40-44
• §4.5.3 横梁响应面模型的建立44-48
• §4.5.3.1 响应面函数选择44-45
• §4.5.3.2 最小二乘拟合法45-46
• §4.5.3.3 求解响应面模型46-48
• §4.5.3.4 响应面模型精度验证48
• §4.5.4 建立横梁多目标优化数学模型48-49
• §4.5.5 利用多目标遗传算法寻求Pareto解49-53
• §4.5.6 参数灵敏度分析求最优解53-54
• §4.5.7 横梁优化前后对比分析54-56
• §4.6 立柱的尺寸优化设计56-57
• §4.7 整机性能对比分析57-59
• §4.7.1 优化后整机的静态特性分析57-58
• §4.7.2 优化后整机的模态分析58-59
• §4.8 本章总结59-60
• 第五章 总结与展望60-62
• §5.1 研究工作总结60-61
• §5.2 展望61-62
• 参考文献62-65
• 附录65-67
• 致谢67-68
• 作者在攻读硕士学位期间主要学术成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 文湘隆;胡业发;丁国平;陈龙;;定子定位槽对径向磁力轴承影响的研究[J];机床与液压;2006年05期

2 叶元烈,秦东晨,陈丽华;薄壁覆盖件的结构优化设计[J];机械强度;1999年03期

3 张军;兆文忠;张维英;;振动板减振降重多目标优化设计研究[J];机械强度;2008年03期

4 李善坡;隋允康;;响应面方法在二维连续体形状优化中的应用[J];力学与实践;2006年02期

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本文编号：919165