机床结构的有限元分析及优化

发布时间：2017-03-22 15:18

  本文关键词：机床结构的有限元分析及优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：机床称为工业母床,机床行业在机械制造业中占有举足轻重的地位,为适应当代快速的科技进步和满足民众对于工业产品优越性能的需求,现代机床行业正向高速、高精度和智能化化方向发展,因此针对机床相关技术的研究,运用快捷有效的有限元及结构优化等现代工程设计与分析方法,对机床整体的开发设计阶段的性能进行评估,对于缩短产品的研发周期、提升产品的综合性能、增强产品的市场竞争力具有重要意义。本课题结合某机床厂提供的新型曲轴内铣床模型,综合参考国内外曲轴铣床技术,确定机床技术性能指标,设计一台大型曲轴铣床的床身,并研究其结构的静态和动态力学性能。本文对原厂提供的床身模型进行材料的选取、静力学和模态分析,确定了其纵向支撑能力和保障动态稳定性能力的不足之处。根据床身设计要求,采用混凝土填充和拓扑优化的方法得到新的设计方案,并根据该方案进行床身的重新参数化建模并对新床身进行静力学和模态分析,得到了床身整体位移,最大等效应力,模态固有频率和振型等结果,再与原有床身的分析结果进行对比,确定新床身在静态支撑能力和动态的稳定性上得到大幅度提升。然后针对新建模型以获得最小床身Y方向最大位移、最小等效应力最大值、最小质量为目标进行建模参数的多目标优化,得到最佳建模参数和设计结果,并且得到不同参数对优化结果的响应曲面,确定了各参数对计算结果的响应关系,为相似问题的多目标优化分析和研究提供经验和数据支持。最后在不改变截面结构的前提下根据床身隔板的不同间距预设三种床身模型并进行静力学和模态分析,通过对比计算结果确定本课题床身隔板的最佳间距。
【关键词】：曲轴机床 拓扑优化 填充 参数化建模 多目标优化 响应关系
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究的背景和意义9
• 1.2 结构分析中的有限元法9-10
• 1.3 国内外研究现状10-12
• 1.3.1 国外研究现状10-11
• 1.3.2 国内研究现状11-12
• 1.4 有限元分析过程12
• 1.5 结构优化和拓扑优化12-16
• 1.6 参数化设计概念概述16-17
• 1.7 本文内容17-19
• 第二章 对原有床身的有限元分析19-29
• 2.1 对于厂家提供的原有床身的介绍19-20
• 2.1.1 床身外形19
• 2.1.2 材料选择19-20
• 2.2 对原有床身的静力学分析20-24
• 2.2.1 施加载荷和约束20-21
• 2.2.2 网格划分21
• 2.2.3 计算结果21-24
• 2.3 对原有床身的模态分析24-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 多材料有限元计算29-39
• 3.1 钢纤维混凝土的应用29-30
• 3.2 混凝土配比30
• 3.3 对床身结构进行调整30-31
• 3.3.1 单腔床身填充30-31
• 3.3.2 多腔床身填充31
• 3.4 对模型的有限元分析31-37
• 3.4.1 材料选择和网格划分31-32
• 3.4.2 填充结构静力学分析32-33
• 3.4.3 填充结构模态分析33-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第四章 床身拓扑优化39-43
• 4.1 床身截面的调整39-41
• 4.2 改良床身的截面设计41
• 4.3 本章小结41-43
• 第五章 参数化模型的有限元分析43-51
• 5.1 改良床身截面的参数化建模43-44
• 5.2 对改良后床身的静力学分析44-47
• 5.2.1 载荷约束与网格划分44-45
• 5.2.2 计算结果对比45-47
• 5.3 对改良后床身的模态分析47-50
• 5.4 本章小结50-51
• 第六章 模型的多目标优化和间距调整51-65
• 6.1 优化过程51-52
• 6.1.1 参数51
• 6.1.2 算法51-52
• 6.2 参数化设置52-53
• 6.2.1 设置输入参数的上下限52-53
• 6.2.2 样本筛选53
• 6.3 多目标计算结果53-55
• 6.3.1 最优结果53
• 6.3.2 响应曲面53-55
• 6.4 隔板间距设定55-56
• 6.5 不同间距床身的静力学分析56-57
• 6.6 不同间距床身的模态分析57-62
• 6.7 不同间距模型计算结果对比分析62-63
• 6.8 底部填充63-64
• 6.9 本章小结64-65
• 第七章 结论与展望65-67
• 7.1 全文总结65
• 7.2 后续展望65-67
• 参考文献67-71
• 致谢71

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