1、分类号： 密级： U D C： 编号：15-080100-07M 河北工业大学硕士学位论文机床结构的有限元分析及优化论 文 作 者： 刘洪璋 学 生 类 别： 全日制学 科 门 类： 工学 学 科 专 业： 力 学指 导 教 师： 贾海朋 职 称： 教 授机床结构的有限元分析及优化Dissertation Submitted toHebei University of Technology for Master Degree of Mechanical EngineeringMachine tool structure finite element analysis and optimizat
2、ionbyLiu HongzhangSupervisor: Prof. Jia HaipengMarch 2015河北工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名： 日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印
3、、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 日期：导 师 签 名： 日期：河北工业大学硕士学位论文i机床结构的有限元分析及优化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
4、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
5、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尺度优化，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，为相似问题的多尺度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的最佳间距。关键词：曲轴机床，拓扑优化，填充，参数化建模，多尺度优化，响应关系机床结构的有限元分析及优化iiMachine tool str
6、ucture finite element analysis and optimizationABSTRACTThe technology of machinery and equipment occupies a pivotal position in the manufacturing industry. In order to meet the superior performance requirements from technology progress and national needs, modern machine tool industry are evolving to
7、 high-speed, high precision and intelligence-direction development. Therefore, during the research of machine tool technology, it has important significance for shortening product R&D cycle, reducing manufacturing cost, enhancing comprehensive performance and improving competitiveness of enterprise
8、by introducing modern engineering and analyzing methods such as finite elements and structure optimization. The research will ascertain technical performance indexes and design a body of a big crankshaft milling machine and study the static and dynamic mechanical property thereof, by studying a new
9、crankshaft milling machine model provided by a factory and referencing to domestic and international technologies of crankshaft milling machine. The author founds out the deficiencies are related to the longitudinal support ability and dynamic stability capacity through static and modal analysis and
10、 analyzing the material selection of the machine tool provided by original manufacturer. According to the results, the author re-designs them and get a new blue print, optimizing the static and dynamic conditions by introducing topology optimization steel fiber concrete filling method. Moreover, bas
11、ed on this research, the author re-modeled parameters of the scheme, and analyzed the new machine tool with statics and modal to accomplish the whole machine tool displacement index, the maximum equivalent stress, modal natural frequencies，mode of vibration and other several results. Comparing with
12、the original lathe bed, the author determined that the new one can be greatly improved in the stability of static and dynamic on the supporting capacity. Afterwards, the author optimized the new machine tool in many indexes, for the purpose of building a variety direction model, which is including a
13、 maximum displacement, maximum of equivalent stress minimum index and minimum quality in Y direction. As a result, the author reached not the best modal 河北工业大学硕士学位论文iiiindex and design result but the different optimized results by the influences with chainable parameters. Besides, the author determi
14、ned the parameters in response to the calculation results were determined and also provided data support for the statics analysis of similar structure. Finally in the premise under that do not change the structure of section, according to the statics and modal analysis on different spaces on three m
15、achine tools, separator preset three bed model and analysis of statics and modal change, the author gain the optimum space by comparing the calculated results of the subjects of the machine tool.KEYWORDS: crankshaft machine, topology optimization, filling method, parametric modeling, multi-scale opt
16、imization, response relationship机床结构的有限元分析及优化iv目 录一、绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 结构分析中的有限元法 .11.3 国内外研究现状 .21.3.1 国外研究现状 .21.3.2 国内研究现状 .31.4 有限元分析过程 .41.5 结构优化和拓扑优化 .41.6 参数化设计概念概述 .81.7 本文内容 .9二、对原有床身的有限元分析 .112.1 对于厂家提供的原有床身的介绍 .112.1.1 床身外形 .112.1.2 材料选择 .112.2 对原有床身的静力学分析 .122.2.1 施加载荷和约束 .122.2.2
17、 网格划分 .132.2.3 计算结果 .132.3 对原有床身的模态分析 .172.4 本章小结 .20三、多材料有限元计算 .213.1 钢纤维混凝土的应用 .213.2 混凝土配比 .223.3 对床身结构进行调整 .223.3.1 单腔床身填充 .223.3.2 多腔床身填充 .233.4 对模型的有限元分析 .243.4.1 材料选择和网格划分 .243.4.2 填充结构静力学分析 .243.4.3 填充结构模态分析 .263.5 本章小结 .29河北工业大学硕士学位论文v四、床身拓扑优化 .304.1 床身截面的调整 .304.2 改良床身的截面设计 .324.3 本章小结 .32
18、五、参数化模型的有限元分析 .335.1 改良床身截面的参数化建模 .335.2 对改良后床身的静力学分析 .345.2.1 载荷约束与网格划分 .345.3.2 计算结果对比 .355.4 对改良后床身的模态分析 .385.5 本章小结 .40六、模型的多尺度优化和间距调整 .416.1 优化过程 .416.1.1 参数 .416.1.2 算法 .416.2 参数化设置 .426.2.1 设置输入参数的上下限 .426.2.2 样本筛选 .436.3 多尺度计算结果 .436.3.1 最优结果 .436.3.2 响应曲面 .436.4 隔板间距设定 .456.5 不同间距床身的静力学分析 .
19、466.6 不同间距床身的模态分析 .476.7 不同间距模型计算结果对比分析 .536.8 底部填充 .546.9 本章小结 .54七、结论与展望 .55参考文献 .56致 谢 .59机床结构的有限元分析及优化2一、绪论1.1 课题研究的背景和意义机械制造和加工装配产业是现代化国家工业建设的基础，也是一个国家产业进步和经济发展的动力 1。当今航空航天、精密仪器、智能设备等工业产业的迅猛发展,对机床性能的要求也越来越严格。现代工业加工技术正在向着高自动化、高柔性化、高智能化、高稳定性等方向发展 2。从制造业角度讲，一个国家数控机床设计和制造水平的高低直接决定了该国整个机械制造加工装备领域的格局
20、 3。机床是集机、电、液、气于一体的机械设备，随着对机械零部件生产效率和加工精度的不断提高，对床身、主轴箱等关键部件的力学特性有越来越高的要求。工业生产对机床结构的静刚度和固有频率的要求越来越苛刻，在高速切削过程中，机床各个部件受到的巨大切削力作用，是影响切削精度的重要因素，机床在工作过程中受到外界一定频率的激励，该频率有可能与机床某部件或整体的固有频率一致，从而发生共振，进而影响机床的性能 4。因此在机床的开发设计阶段必须充分综合考虑其静态性能和动态性能，保障机床抵抗动静载荷的能力，满足加工要求。传统的类比设计和经验设计很少能够综合考虑结构静态和动态特性对机床工作性能产生的影响。因此，通常会
21、造成产品不良率高，加工质量无法达标的局面。1.2 结构分析中的有限元法计算机科技的快速发展，使得各种计算机辅助技术丰富的应用于全球的各行各业中。以数据处理、建模分析、运动仿真，优化设计为功能特性的计算机辅助工程技术在新科技革命大潮的推动下迅猛发展 5。这些计算机辅助工程技术能快速有效地模拟产品的工作状态，呈现产品在工作中的力学、热力学、电磁学等物理性能，甄别影响产品性能的各种内部和外部因素，并根据不同需求提出问题的解决方案或计算出优化结果 6。计算机辅助工程技术的开发和应用，使工业产品进一步迈向人性化和智能化，极大地节省了产品开发的时间和空间，提高了资源的利用率 7。有限元法是一种在力学模型分析上经常用到的高效能计算方法。有限元法最初是在变分原理的基础上发展起来的，后来广泛地在以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中得以应用。求解方法是先离散需要进行分析的结构，再使用最小
