大型数控镗铣床轻量化设计与研究

发布时间：2017-10-06 17:41

  本文关键词：大型数控镗铣床轻量化设计与研究

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【摘要】：大型数控镗铣床作为现代机械加工中的重要工作母机,该机床适用于加工重量大、形状复杂的零件,能在一次装夹内完成多种工序的加工需要,提高了加工效益与企业生产的效益。作为世界上最大的机床生产国和消费国,我国的机床结构设计仍然以经验设计和类比法设计为主,造成了结构尺寸的富余、质量过大和性能不够完善等问题。本文以TK6913大型数控镗铣床为研究对象,利用仿真研究和实验模态两方面共同来研究镗铣床的结构性能,加上基于敏感度分析的优化分析方法,在保证结构刚度、铸造条件的前提下,达到机床质量的最小化。本文的主要研究内容如下： 1.利用软件SolidWorks对TK6913大型数控镗铣床整机进行三维建模,简化细小结构后,将其导入ANSYS,经过前处理操作,最后得到整机的有限元模型。 2.在镗铣床最危险的工况下进行仿真分析,分别有静力分析和模态分析。静力分析中施加工况载荷和边界条件,得到了整机的应力、应变情况,验证了结构尺寸的富余；模态分析中,对镗铣床的主要零部件进行了模态匹配,验证了各个零件结构设计的合理性,与此同时对整机分析得到整机模态结果。通过静力分析和模态分析,得到各阶模态参数的同时,发现结构尺寸较为富余,有轻量化设计的空间。 3.针对镗铣床的关键部件立柱进行了实验模态分析。首先介绍了实验的理论基础、测量方案和测量流程的具体步骤,通过计算得到立柱模态前六阶的固有频率、振型和阻尼比,并采用曲线拟合的方式来验证模态实验结果的可信度,得出了镗铣床的模态参数,并与仿真分析的结果相互验证,为轻量化分析提供了理论基础。 4.对该镗铣床展开轻量化设计,在保证刚度的前提下,减少结构质量,节约成本。利用SolidWorks建立机床的模型,通过改变各结构尺寸,在ANSYS中采用灵敏度分析的方法寻找结构中刚度随质量变化的灵敏尺寸。再以灵敏尺寸为优化参数,以结构质量为目标函数,以结构刚度和铸造条件作为约束条件,在ANSYS中对结构进行轻量化设计。设计结果证明了灵敏度分析的方法对于结构的轻量化设计是非常有效的。于此同时结构的各阶固有频率得到了有效的提高,各阶模态的最小间距加大,动态性能得到提高。
【关键词】：镗铣床 仿真分析 实验模态分析 轻量化设计
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG536
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-14
• 插图清单14-16
• 表格清单16-17
• 第一章 绪论17-25
• 1.1 课题背景、来源和意义17-19
• 1.1.1 课题背景17-18
• 1.1.2 论文来源与研究对象18
• 1.1.3 论文的意义18-19
• 1.2 CAE技术的发展概况19-20
• 1.2.1 CAE概念19
• 1.2.2 有限元方法的应用意义19-20
• 1.3 国内外产品技术研发现状20-21
• 1.3.1 国内外数控镗铣床研发现状20
• 1.3.2 国内外数控机床轻量化设计研究现状20-21
• 1.4 模态实验分析技术的发展概况21-22
• 1.4.1 模态实验分析技术的发展历史21-22
• 1.4.2 模态实验分析软件的介绍22
• 1.5 论文的主要内容和研究流程22-25
• 第二章 大型数控镗铣床有限元模型的建立25-33
• 2.1 TK6913大型数控镗铣床的简介25-26
• 2.1.1 TK6913大型数控镗铣床的结构形式与配置25-26
• 2.1.2 主要技术参数26
• 2.2 TK6913三维模型的建立26-29
• 2.2.1 建模软件简介26-27
• 2.2.2 建模假设27
• 2.2.3 实体模型建立27-29
• 2.3 TK6913有限元模型的建立29-30
• 2.3.1 导入模型的步骤29
• 2.3.2 单元属性定义29-30
• 2.3.3 网格划分30
• 2.4 有限元模型与计算结果精度分析30-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 大型数控镗铣床有限元分析设计33-50
• 3.1 有限元分析理论解析33-36
• 3.1.1 有限元静力学分析理论33-35
• 3.1.2 有限元模态分析理论35-36
• 3.2 有限元仿真分析的流程36-37
• 3.2.1 前处理模块37
• 3.2.2 求解模块37
• 3.2.3 后处理模块37
• 3.3 TK6913大型数控镗铣床的静力学分析37-40
• 3.3.1 施加载荷和边界条件38-39
• 3.3.2 整机静力学分析39-40
• 3.4 TK6913大型数控镗铣床的模态分析40-48
• 3.4.1 大型数控镗铣床部件的有限元模态分析40-47
• 3.4.2 大型数控镗铣床的整机有限元模态分析47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第四章 大型数控镗铣床模态实验验证50-66
• 4.1 模态实验的目的和意义50-51
• 4.2 模态实验的理论基础51-54
• 4.3 模态实验仪器设备材料54-55
• 4.4 模态实验测试方案设计55-63
• 4.4.1 模态实验原理55
• 4.4.2 模态实验测试流程具体内容55-61
• 4.4.3 模态实验参数计算61-62
• 4.4.4 典型的频响函数和相干函数62-63
• 4.5 模态实验分析结果63-65
• 4.5.1 频响函数的稳态图计算63
• 4.5.2 频响函数的模态参数结果与仿真结果对比63-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 大型数控dZ铣床基于灵敏度分析的轻量化设计66-76
• 5.1 基于灵敏度分析的优化设计66-68
• 5.1.1 灵敏度分析基本原理66-67
• 5.1.2 灵敏度分析公式67
• 5.1.3 灵敏度分析应用67-68
• 5.2 机床结构的轻量化分析方案68-72
• 5.2.1 数控机床的结构分析68
• 5.2.2 立柱的灵敏度计算68-71
• 5.2.3 滑座的灵敏度计算71-72
• 5.3 机床结构轻量化设计72-74
• 5.3.1 确定优化设计三要素72-74
• 5.4 结果讨论74
• 5.5 本章小结74-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 研究内容总结76
• 6.2 研究展望76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况81

【参考文献】

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本文编号：984125