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数控重型曲轴旋风车关键部件有限元分析及优化研究

高思煜  
【摘要】:有限元分析和优化是现代机床结构设计的重要组成部分,使设计人员在设计阶段能够预知机床结构的静动态性能,以获得良好的结构优化方案,提高设计质量,降低设计成本。本文基于ANSYS软件对数控重型曲轴旋风车的关键部件(旋风刀架、主轴和中心架)进行有限元分析和优化研究。 利用UG软件建立了旋风刀架的简化实体模型,计算了各静压轴瓦轴向和径向油腔处的油膜刚度,建立了旋风刀架等效有限元模型,对其进行了静动态特性有限元分析,得到了旋风刀架结构变形图、应力分布图、前6阶固有频率和模态振型以及谐响应特性,分析结果表明,旋风刀架结构满足设计要求。 对旋风刀盘结构进行了拓扑优化分析,根据分析结果对其结构进行了适当的改进,经过分析表明,优化后的旋风刀盘在满足静动态特性的基础上,消除了质量偏心并将质量降低了3.841%。 建立了机床主轴结构模型,对主轴轴承进行了等效处理,继而建立了主轴的有限元分析模型,对主轴的弯曲刚度和应力、扭转刚度和切应力、模态特性以及谐响应特性进行了分析研究。 基于ANSYS软件参数化设计语言建立了机床主轴结构优化的参数化模型,以主轴各段半径和长度为设计变量,第1阶固有频率为状态变量,主轴的质量和卡盘端面处主轴的变形为优化目标,对主轴结构进行多目标尺寸优化。经过优化,使主轴的质量降低了8.28%,卡盘端面处主轴径向变形值降低了10.19%,主轴第1阶固有频率升高了14.16%。 建立了中心架结构的实体模型并进行了适当的简化处理,对中心架进行了静态和模态有限元分析,找到了其结构的薄弱部位并进行了相关改进,经分析表明,优化后的中心架左侧支撑处最大综合变形值降低了14.763%。


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