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基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计研究

张兴朝  
【摘要】: 数控机床广泛应用于国防、航空航天和国民经济各部门,是自动化加工最基本的装备,也关系到国家的安全和工业生产能否健康地增长。我国数控机床的动态优化设计水平落后,无法快速响应市场,不能及时设计出高速、高刚度、高精度的有自主知识产权的高性能数控机床。 现代设计理论采用先进的CAD/CAE技术进行机械产品设计,省去了产品样机的反复试制、测试及改进过程。利用虚拟样机技术对产品进行设计、分析及优化,不仅提高了产品的动态性能,缩短了设计周期,而且大大的降低了设计成本。本文主要包括以下内容: 1.综述了数控机床动态设计相关研究领域的发展状况,阐述课题提出的目的和意义,明确了本文研究的主要内容。 2.快速设计是目前对数控机床设计主要要求之一。根据数控机床模块内部结构的相似性,可以从机床基础大件中分离出功能和结构相对独立的元结构和框架尺寸。同时还研究了元结构及框架尺寸自身动态优化设计的方法和过程,以及基于元结构和框架尺寸优化的机床大件动态优化设计的方法。 3.研究了在大型有限元分析软件ANSYS平台上,利用基于元结构和框架尺寸优化的理论,如何构造出动态特性优良的数控机床模块。通过基于元结构和框架尺寸优化的方法,成功地对数控机床床身和龙门式立柱进行动态优化设计,验证了基于元结构和框架尺寸优化的机床构件动态设计及大件结构创成是可行性的,且具有一定的高效性。 4.研究了基于接触单元(CONTACT49)的螺栓联接结合面的理论建模原理和方法,并把这种建模方法应用到立式加工中心立柱和床身的结合面,研究、分析了结合面参数对整机动态特性的影响。 5.研究了在ANSYS平台上,把有限元分析和优化设计相结合进行机械结构系统动态优化设计的方法,并把这种方法应用于数控机床龙门式立柱结构动态优化设计,取得了较好的效果。 6.研究了如何利用由实验模态分析测得整机的低阶固有频率,通过将有限元分析和优化算法、谐波响应分析相结合的方法,完成螺栓联接结合面的参数识别问题。 7.提出了基于结构层次分解、组合的模块化数控机床结构快速动态设计思想,研究了数控机床动态优化设计建模中的许多关键技术和问题:有限元模型建模中各种模型库、数据库的建立及应用,有限元模型的建立原则等。通过这些研究,把数控机床动态优化设计过程和方法规范化,提高了模块化数控机床动态优化设计的速度和效果。 最后总结了全文的主要结论,得出了一些有益的结论,并提出了进一步研究的设想。


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