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立式加工中心静动态特性分析及关键部件优化

张伟  
【摘要】:自从加工中心面世以来,加工中心因其高效、高速、高精度等特点,在航空航天、工程机械、船舶、汽车、模具等行业得到了广泛的应用。而实现高速高精的加工要求需要机床具有良好的静动态特性。因此对加工中心关键部件及整机进行静动态特性分析已成为设计的必要环节,为提高机床整体性能提供了技术支持。 在分析总结国内外数控机床静动特性分析和结构优化设计技术研究进展基础上,本文以某款立式加工中心作为研究对象,利用ANSYS Workbench软件分析加工中心的静动态特性,并对关键部件横梁进行了优化设计,主要进行以下几个方面的研究: 首先,阐述了有限元法的基本思想和原理,总结了运用有限元方法进行静力分析和动态分析的理论方法,介绍了有限元软件ANSYS Workbench平台的功能和使用。 其次,运用三维建模软件Pro/E对机床结构进行了合理的几何模型简化,利用软件接口导入有限元分析软件ANSYS Workbench中建立了加工中心关键部件及整机的有限元模型。 然后,通过施加载荷和约束边界,对关键部件和整机进行静力分析,得到各部件和整机的变形云图和应力分布云图。通过对关键部件和整机进行模态分析,得到低阶固有频率和振型,找出机床的薄弱环节,避免共振带来的损失。 最后,采用拓扑优化的结构设计方法对横梁部件进行了结构优化设计。基于Hyper Works软件的拓扑优化结果,对横梁进行了结构优化设计。分析结果显示,新方案较原方案相比,不仅减轻了重量,还有效提高横梁的静动态性能,取得了很好的优化效果。 本文对立式加工中心的静动特性分析和拓扑优化技术的研究应用可为实际工程设计提供有效的参考。


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