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基于有限元分析的立式精密磨床立柱的结构优化设计

童青  
【摘要】:当前科技和现代化工业迅猛发展,使机床产品设计向着高速度、高效率、高精度和自动化的方向发展。同时产品在开发设计中的一项比较重要的指标是设计的结构要具有较好的动态性能。现代机床产品设计主要采用现代设计的方法(包括有限元分析方法和模态分析理论),成为产品设计的一种必然趋势。 本文采用有限元分析软件ABAQUS协同三维建模软件Solidworks对1.25立式精密磨床的立柱进行有限元静力及模态分析,通过计算得出的数据(包括立柱的刚度、位移形变量、固有频率及相应的振型等),找出了引起立柱变形的关键。通过数据分析及经验法,作出了三种相应的改进结构的优化方案。 对三种改进方案进行有限元分析,通过数据计算比较,C方案的刚度最优且固有频率最高,因此选定C方案来作进一步的优化。针对立柱C方案加强筋的三个主要参数,在ABAQUS中应用PYTHON语言对其进行参数化建模,按着正交表所需的参数排列组合的要求,不断修改参数值,生成新的有限元结构模型,得出相对应的变形量,构建完整的正交表。根据正交试验表中的极差值的大小,找出最灵敏的两个参数,即加强筋的宽度和高度。将立柱结构Z方向的最大变形量设为目标函数,通过响应面法分析,求出目标函数的系数,利用MATLAB的回归拟合功能,得出最可靠的目标函数,最后采用MATLAB编程法求得函数的最小值,所对应的两个解既是加强筋参数宽度和高度的最优数据。该方案既保证了低成本又使加工精度得到了很大提高,满足实际加工所需的5μm左右。


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