立柱整机有限元分析论文提纲

论文题目：机床薄弱结构件多步优化设计

摘要：目前机床设计一般采用比较保守的办法,比如依靠经验或者类比同类型产品,这就造成了机床结构所能承受载荷与实际载荷不相匹配的结果,材料的利用率较低,除此之外,设计更改周期也比较长,难以满足市场需求;其次,缺乏一套针对现有机床设计进一步提高其性能的通用性方法,难以满足日益提高的产品质量要求。因此,本文提出一套适用于机床薄弱结构件的多步优化设计方法,该方法主要包括薄弱结构件识别、外部轮廓优化、内部筋板设计和关键尺寸优化四部分,并以PT50型机床和SH523B型双主轴卧式加工中心为例,验证了该方法的正确性、高效性和普适性。具体研究内容如下:（1）介绍汽车发动机缸盖/阀体柔性化生产线,结合产线工艺对PT50型机床进行初步设计,建立PT50型机床有限元模型,对整机进行了静力学分析、谐响应分析和模态分析,结合模态实验识别出整机最薄弱结构件是立柱;提出了针对立柱优化的静力学、动力学和经济性目标。（2）将原始立柱进行材料填充,固定立柱与其他部件接口处不变,采用折衷规划法对其进行外部轮廓拓扑优化,根据优化结果对立柱外形进行二次设计;固定立柱外部轮廓不变,采用折衷规划法对其进行内部筋板拓扑优化,讨论了不同型式筋板对立柱性能的影响,总结出筋板选择的原则,并对立柱进行了内部筋板布局设计。（3）基于响应面优化原理,以立柱重点尺寸为设计变量,建立立柱参数化模型;明确各重点尺寸的取值范围,并根据CCD法设计出实验组;根据实验组计算结果对立柱的各性能指标进行响应面拟合,最终预测出立柱重点尺寸的最优组合。优化后的立柱最大变形量减小了约17%,立柱质量减小了3.4%,前六阶振型的固有频率显著提高。（4）总结PT50机床优化经验,提出一套针对机床薄弱结构件的多步优化设计方法,在SH523B双主轴卧式加工中心上对该设计方法进行了验证;优化后该结构件静态变形量减小了14.93%,前三阶固有频率分别增加了9.19%、5.90%、32.28%,总质量减小了0.37%;将优化后的结构件装配回整机,发现整机静态变形量减小了0.76%,前三阶固有频率分别增加了5.86%、1.24%、30.15%,总质量减小了0.10%。

关键词：加工中心;薄弱结构件识别;拓扑优化;尺寸优化;折衷规划法;响应面

学科专业：机械工程（专业学位）

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机床静态建模及特性研究

1.2.2 机床动态特性研究

1.2.3 机床结构优化设计研究

1.3 存在的问题

1.4 论文的主要内容与章节安排

1.4.1 论文主要研究内容

1.4.2 论文章节安排

第二章 PT50机床静动态特性分析及薄弱结构件识别

2.1 PT50机床设计

2.1.1 缸盖/阀体工艺简介

2.1.2 PT50机床模块化设计

2.2 PT50型机床有限元建模

2.2.1 有限元分析理论

2.2.2 模型简化

2.2.3 材料、单元及网格划分

2.2.4 边界条件及接触面处理

2.3 PT50机床静力学分析

2.3.1 机床串联刚度场

2.3.2 整机静刚度场建模分析

2.4 PT50机床动态特性分析

2.4.1 整机谐响应分析

2.4.2 整机模态分析

2.4.3 立柱模态分析

2.5 整机薄弱结构件识别及优化目标提出

2.6 本章小结

第三章 基于折衷规划法的薄弱结构件拓扑优化

3.1 基本原理介绍

3.1.1 拓扑优化原理

3.1.2 折衷规划法原理

3.2 立柱力学模型

3.3 立柱外形拓扑优化设计

3.3.1 前处理

3.3.2 优化过程

3.3.3 优化结果分析

3.4 立柱内部拓扑优化设计

3.4.1 前处理

3.4.2 优化结果分析

3.4.3 内部筋板设计

3.5 本章小结

第四章 基于响应面分析的薄弱结构件尺寸优化

4.1 响应面分析原理

4.2 基于响应面分析的立柱关键尺寸优化

4.2.1 立柱参数化建模

4.2.2 中心复合实验设计(CCD)

4.2.3 灵敏度分析

4.2.4 响应面优化结果分析

4.3 立柱优化前后性能对比

4.3.1 立柱静态性能对比

4.3.2 立柱动态性能对比

4.4 整机优化前后性能对比

4.4.1 整机静态性能对比

4.4.2 整机动态性能对比

4.5 本章小结

第五章 基于多步优化设计方法的双主轴卧式加工中心结构优化

5.1 SH523B双主轴卧式加工中心设计

5.2 基于ANSYS Workbench双主轴卧式加工中心建模

5.3 双主轴卧式加工中心薄弱结构件识别

5.3.1 整机静刚度场建模分析

5.3.2 整机谐响应分析

5.3.3 整机模态分析

5.3.4 立柱模态分析

5.4 立柱拓扑优化

5.4.1 前处理

5.4.2 优化结果分析

5.5 立柱关键尺寸优化

5.5.1 响应面优化方案设计

5.5.2 灵敏度分析及优化结果

5.5.3 优化前后性能对比

5.6 本章小结

第六章 模态验证实验

6.1 实验简介

6.1.1 实验原理

6.1.2 实验装置及方案

6.2 立柱固有频率测量

6.2.1 实验结果

6.2.2 实验与仿真结果对比

6.3 立柱模态振型测量

6.3.1 实验结果

6.3.2 实验与仿真结果对比

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要内容总结

7.2 创新点

7.3 后续研究工作展望

参考文献

致谢