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VMC750立式加工中心立柱特性分析及优化设计

王晓寅  
【摘要】:机床作为工业母机,其是装备制造业发展的基础。在生产制造中加工中心因加工效率高而被广泛应用,立柱是加工中心关键零部件,机床加工零件的精度和质量都会因其工作性能的优劣而受到影响。因此,对立柱结构进行静、动态性能分析,在保证加工精度、刚度等前提条件下运用优化设计理论对机床进行“减重”,这是机床制造领域具有重要意义的课题之一。本文采用有限元法,分析了VMC750立式加工中心立柱部件的静、动态特性,分析了其结构薄弱环节,然后进行了轻量化设计,全文主要包括:(1)建立了立柱实体模型,在Workbench软件Design Modeler平台上对立柱模型进行了适当简化处理、计算了极限工况下立柱结构的载荷情况。通过静力学分析、模态分析找到了VMC750立式加工中心立柱结构的可优化部分。(2)将单元密度作为设计变量,组合应变能指标为设计目标,在优化前后体积比约束下以变密度法理论为基础对VMC750立式加工中心立柱结构进行了拓扑优化。根据拓扑优化后立柱的材料去除和保留分布情况,重新设计立柱结构后分析变形、各阶模态等。与未进行拓扑优化前比较,静态性能基本不变,一阶固有频率从82.549Hz提高到99.979Hz,减重9.7%。(3)以灵敏度分析为基础分别对立柱原结构、立柱拓扑优化后的结构进行尺寸优化设计。前者以立柱外壁厚度,内部纵向筋板、横向筋板厚度,侧壁圆孔直径作为优化元素,后者增加了立柱结构拓扑优化后形成的两个Χ形结构。在Solid Works中完成参数化设置,在ANSYS Workbench中使用Screening法得到最佳优化方案,之后重新建模再次分析,最后比较了两种尺寸优化后立柱的性能,在变形基本相同的情况下,立柱结构拓扑优化后再次进行尺寸优化较直接对原结构进行尺寸优化减轻了2.8%的重量,较原结构减轻了11.6%。达到了优化结构的目的。通过研究结果显示,两种结构优化设计方法可为加工中心“减重”,尤其是拓扑优化后再次进行尺寸优化效果更佳。以上分析亦可为其它零部件的优化设计提供参考。


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1 王晓寅;VMC750立式加工中心立柱特性分析及优化设计[D];兰州理工大学;2021年
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