本文選題：龍門加工中心 + 有限元分析�。� 參考：《長春工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：隨著航空航天、軌道交通、大型發(fā)電設(shè)備及高精密儀器儀表等國內(nèi)高端制造業(yè)的迅猛發(fā)展,裝備制造領(lǐng)域?qū)庸ち慵谋砻尜|(zhì)量和幾何精度提出了更高的要求,這也促使機(jī)床朝著高效率、高速度、高精度方向發(fā)展。同時(shí),在激烈的市場競爭中,機(jī)床生產(chǎn)廠商也必然要通過控制制造成本,來提高產(chǎn)品優(yōu)勢。然而傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)與類比設(shè)計(jì)等方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展需求。因此,在機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)理念制造出高性能、低成本的機(jī)床設(shè)備顯得尤為重要。本文以XHGS256龍門加工中心為研究對象,目的是尋求一種針對加工中心的高剛度、輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為此,本文結(jié)合龍門加工中心關(guān)鍵零部件及整機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題主要展開了如下研究工作:應(yīng)用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立了加工中心整機(jī)的三維數(shù)模,然后利用有限元分析方法獲得原立柱及橫梁的靜動態(tài)特性,通過與機(jī)床性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析,進(jìn)而找出薄弱環(huán)節(jié),并從中提取具體數(shù)據(jù),為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。針對立柱及橫梁關(guān)鍵部件的性能缺陷,采用拓?fù)鋬?yōu)化及尺寸優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。利用拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得了立柱和橫梁的概念設(shè)計(jì)模型,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后運(yùn)用有限元方法對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析,結(jié)果表明:新立柱結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少6.16%,最大變形降低38.63%,一階固有頻率提高8.40%;新橫梁結(jié)構(gòu)在質(zhì)量基本不變的情況下,最大變形減少17.69%,一階固有頻率提高29.04%;均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。最后,為實(shí)現(xiàn)加工中心整機(jī)的輕量化,本文采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法篩選出了對整機(jī)性能影響顯著的設(shè)計(jì)變量,然后運(yùn)用自適應(yīng)響應(yīng)面法實(shí)現(xiàn)對加工中心整機(jī)靜態(tài)、動態(tài)的多目標(biāo)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終在滿足刀頭變形指標(biāo)的前提下,相比于初始整機(jī)結(jié)構(gòu),1、2階固有頻率分別提高了5.13%和19.64%,整機(jī)質(zhì)量降低16.05%,輕量化效果顯著。本文對XHGS256龍門加工中心關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與整機(jī)多目標(biāo)尺寸優(yōu)化的工作表明,在機(jī)床設(shè)計(jì)階段,采用現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠有效地提高機(jī)床靜、動態(tài)性能并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。
[Abstract]:With the rapid development of domestic high-end manufacturing industries, such as aerospace, rail transit, large-scale power generation equipment and high-precision instruments, the equipment manufacturing field has put forward higher requirements for the surface quality and geometric accuracy of processed parts. This also promotes the development of machine tool towards high efficiency, high speed and high precision. At the same time, in the fierce market competition, machine tool manufacturers must control manufacturing costs to improve the product advantages. However, the traditional methods such as experience and analogical design can not meet the development needs of modern manufacturing industry. Therefore, it is very important to introduce modern optimal design and production concept into the structural design of machine tools to produce high performance and low cost machine tools. In this paper, XHGS256 gantry machining center is taken as the research object. The purpose of this paper is to seek an optimal design method for high stiffness and lightweight machining center. In this paper, the key parts of the gantry machining center and the design and optimization of the whole machine are studied as follows: the 3D digital model of the machining center is established by using SolidWorks software. Then the static and dynamic characteristics of the original column and beam are obtained by using the finite element analysis method. By comparing with the machine tool performance index, the weak link is found, and the concrete data are extracted from it, which lays a foundation for the subsequent structural optimization. Aiming at the performance defects of the key components of column and beam, the design method combining topology optimization and dimension optimization is adopted. The conceptual design model of column and beam is obtained by using topological optimization method, and then the detailed dimension optimization design of the structure is carried out. Finally, the finite element method is used to analyze the performance of the optimized structure. The results show that the mass of the new column is reduced by 6.16, the maximum deformation is reduced by 38.63, the natural frequency of the first order is increased by 8.40, and the new beam structure is basically unchanged in mass. The maximum deformation is reduced by 17.69 and the natural frequency of the first order is increased by 29.04, all of which meet the design requirements. Finally, in order to realize the lightening of the whole machine in the machining center, the design variables which have a significant effect on the performance of the whole machine are screened out by the method of experimental design, and then the static state of the whole machine is realized by the adaptive response surface method. Dynamic multi-objective size optimization design. Finally, on the premise of satisfying the deformation index of the cutter head, compared with the original structure of the whole machine, the natural frequencies of the second order are increased by 5.13% and 19.64 respectively, the whole machine quality is reduced by 16.05, and the lightening effect is remarkable. In this paper, the structure optimization of the key parts of XHGS256 gantry machining center and the multi-objective dimension optimization of the whole machine show that in the design stage of the machine tool, the modern optimization design method can effectively improve the static state of the machine tool. Dynamic performance and lightweight design of the structure.
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG659

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本文編號：1860020