基于结构仿生原理的深孔钻床关键件优化设计研究

论文摘要

随着我国深孔加工技术的迅猛发展,深孔机床在制造业中拥有不可替代的位置,其床身的动静态性能和自身质量对整机性能均有影响。但是传统的深孔机床床身多采用经验设计或者仿照国外产品,故而导致其结构冗余、质量过大等问题,从而也就直接影响了孔的加工质量。因此,突破传统设计,探究合理有效的优化方法,对深孔加工技术的发展具有重要意义。结构仿生是一种利用仿生学原理,通过提取自然界生物体结构中有益的构型规律或特点,并将其应用于机械结构优化设计的有效方法。本文以结构仿生优化作为关键技术,以Z8016小直径深孔钻床床身作为研究对象,设计了一种基于龟壳结构的床身筋板布局,并对其进行了拓扑优化和尺寸参数优化设计,最终确定了可用于实际生产的综合优化型床身。研究内容包括:(1)基于UG软件的床身原始结构的参数化建模和有限元分析。介绍了Z8016小直径深孔钻床的基本参数以及床身构型特点,利用UG建立床身三维模型,导入ANSYS对它进行模态分析与静力学分析,求得床身的位移云图以及应力云图,提取了床身的前5阶固有频率及振型图,并对结果进行分析。研究表明,发现床身应力和位移分布不均、结构强度和刚度存在较大的冗余。(2)基于结构仿生原理的床身筋板布局设计及其有限元分析。利用模糊相似理论从结构、功能、载荷及约束方面对龟壳和床身结构进行相似度计算,确定龟壳为仿生原型并合理提取龟壳优良构型特点,将其应用于床身筋板的布局设计,从而建立仿生型床身模型,在与原床身同等条件下,利用ANSYS对仿生型床身进行了动静态分析,研究表明,新结构的静动态性能均有显著提高,但其重量依然存在一定冗余。(3)基于渐进结构优化法的床身结构拓扑优化设计。在仿生型床身结构的基础上,以轻量化设计为目标,利用渐进结构优化方法(ESO)对床身进行拓扑优化设计,得到了床身材料分布云图,结合仿生型床身结构对其进行重构设计,得到仿生拓扑型床身结构。通过有限元分析,将原型床身、仿生型床身与其进行分析对比,结果发现,质量有所减少,达到了优化效果。(4)基于APDL语言的床身尺寸参数优化设计。基于APDL语言,利用零阶优化方法,以仿生拓扑型床身关键尺寸为设计变量,体积为目标函数,对床身进行尺寸参数优化,最终确定了可用于实际生产的综合优化型床身,并对其进行有限元分析。研究表明,综合优化型床身在最大应力、首阶固有频率和质量方面均有明显改善,整体质量减小12.7%,,首阶固有频率提高28.8%,最大应力减小35.466%,在提高床身动静态性能及减轻质量方面取得了明显的优化效果。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1.绪论
•   1.1 课题来源及研究背景
•     1.1.1 课题来源
•     1.1.2 课题研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 机床结构设计研究现状
•     1.2.2 结构仿生研究现状
•     1.2.3 结构仿生在机床领域的应用研究
•   1.3 研究内容及意义
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 本文研究意义
• 2.结构仿生设计理论
•   2.1 结构仿生设计方法
•     2.1.1 结构仿生的理论基础
•     2.1.2 结构仿生的设计流程
•   2.2 结构仿生的相似性评价标准
•   2.3 结构仿生注意事项
•   2.4 本章小结
• 3. Z8016深孔钻床床身原型结构及其有限元分析
•   3.1 床身几何模型建立
•   3.2 有限元分析法概述
•   3.3 床身的静力学分析
•     3.3.1 静力学分析概述
•     3.3.2 静力学分析理论基础
•     3.3.3 静力学分析一般流程
•     3.3.4 床身的静力学分析
•   3.4 床身的模态分析
•     3.4.1 模态分析概述
•     3.4.2 模态分析理论基础
•     3.4.3 模态分析一般流程
•     3.4.4 基于APDL参数化的床身模态分析
•   3.5 本章小结
• 4.基于龟壳结构的床身仿生设计
•   4.1 床身与仿生原型的相似性评价
•     4.1.1 龟壳结构特性
•     4.1.2 床身与仿生原型相似度计算
•   4.2 仿生床身的结构设计
•     4.2.1 仿生床身三维模型建立
•     4.2.2 仿生型床身与原型床身有限元对比分析
•   4.3 仿生型床身的拓扑优化
•     4.3.1 结构拓扑优化方法
•     4.3.2 结构拓扑优化一般流程
•     4.3.3 仿生型床身拓扑优化
•     4.3.4 仿生型床身的重构及有限元分析
•   4.4 仿生型床身的分析与评价
•   4.5 本章小结
• 5.床身的尺寸参数优化
•   5.1 基于ANSYS的结构优化流程
•   5.2 床身尺寸优化
•     5.2.1 APDL参数化设计语言
•     5.2.2 床身尺寸优化前处理
•     5.2.3 床身优化结果分析
•     5.2.4 综合型床身的重构设计
•   5.3 综合型床身与原型床身有限元对比分析
•   5.4 本章小结
• 6.总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张莹

导师: 薄瑞峰,张黎明

关键词: 深孔钻床,床身,结构仿生,有限元分析,拓扑优化,尺寸优化

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 中北大学

基金: 山西省国际科技合作专项项目“中韩合作精密高效深孔加工关键技术研究”(项目编号:2015081016),山西省回国留学人员科研资助项目“基于物理规划的深孔机床结构动静态多目标拓扑优化技术研究”(项目编号:2017087)

分类号: TG52

总页数: 85

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