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机床结构件的分步拓扑优化设计

王珂  
【摘要】:目前机床结构件的设计主要依靠经验公式和同类型机床类比的方法,导致设计结构过于传统,材料利用率低,而且设计周期较长,难以满足市场产品更新速度快的要求,因此寻求一种高效的机床结构设计方法具有重要意义。为此,本文以JIG630卧式加工中心立柱、溜板等基础结构件为研究对象,开展了机床“框中框”结构拓扑优化设计的相关工作,提高机床的静动态性能,同时实现轻量化。本文主要研究内容如下:提出分步拓扑优化方法,并与尺寸优化技术结合,形成一套集成的机床结构优化设计方法。研究该方法的相关理论基础,建立拓扑优化数学模型;对加工中心关键结构件立柱、溜板进行了力学分析,介绍了拓扑优化前有限元分析前处理工作。完成JIG630卧式加工中心立柱、溜板和主轴箱的结构分步拓扑优化设计,提高了结构件的静动态性能,同时实现轻量化。首先分析结构件的功能约束,建立构件的拓扑优化初始模型,并完成初始优化模型的有限元分析;利用TOSCA软件进行目标函数和约束的设置,完成第一步外轮廓拓扑优化设计;在此基础上,约束模型外轮廓,实现内部结构的拓扑优化设计,完成模型重建。对拓扑优化模型进行参数化,利用响应面法实现尺寸优化,并将最终优化设计结构与传统设计进行仿真分析对比校验。设计了立柱1:2比率的等比缩小实验样件模型和静刚度、动特性测试实验。在实验测量结果的基础上对其静刚度、前三阶固有频率和模态进行了分析计算,并将有限元理论分析结果与实测结果进行对比,简要分析了两种结果存在差距的原因,验证了立柱变截面设计结构静动态性能的提高,证明分步拓扑优化设计方法的可行性。


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