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立式加工中心多目标优化设计

彭艳华  
【摘要】:随着全球一体化经济步伐的加快,制造行业的企业对产品性能、质量、轻量化、个性化、低成本和交货时间等方面的竞争日益激烈。如何快速响应市场,在较短时间内以较高性能价格比的产品占领市场,是企业得以生存和发展的关键环节。为此生产企业必须采用各种先进的设计方法、制造技术和设备对其产品进行优化设计和制造,以达到提高产品性能和研发效率的同时降低成本的目的。 本文在分析总结国内外相关研究的基础上,提出了一种复合优化方法进行多变量、多约束和多目标的数控加工中心优化设计,在不降低加工中心动静态性能的前提下达到整机重量最小的目的。以合作公司生产的FWV-6A立式加工中心为研究对象,首先通过有限元分析和模态测试相结合的方法掌握其立柱、床身、滑台、主轴箱和工作台等五大件以及加工中心整机的动态性能和薄弱环节,两者的相互吻合验证及确保了有限元模型建立的精确性。然后以该有限元模型为基础进行静态分析,求得各大件的最大静变形及应力。为后面的加工中心结构的拓扑优化、形状优化和尺寸优化指明方向,并提供可靠的依据和约束条件。 然后,以质量、固有频率或柔度为优化目标,采用拓扑优化方法设计立柱的外形框架结构,达到满足性能的前提下材料用量最少的目标;采用基于元结构的可适应性动态优化设计方法设计加工中心立柱、床身和滑台的筋板结构,以增强性能和减小重量;进行基于响应面法的尺寸优化确定各结构的最佳尺寸。最后将优化的加工中心各大件进行装配,分析校核优化的整机动静态性能。结果表明,这些优化方法能在保证现有动静态性能的条件下使整机重量减小4.9%,具有良好的工程实用性。


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