銑車復(fù)合加工中心立柱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及仿生設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著裝備制造技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以數(shù)字化和精密化為特征的先進(jìn)制造技術(shù)也不斷向著高效率和高精度、集成化與復(fù)合化的方向發(fā)展。先進(jìn)制造技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力依賴于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平。在眾多高檔數(shù)控機(jī)床的研究領(lǐng)域中，銑車復(fù)合加工中心則憑借著其“以銑代車”的加工特點(diǎn)，通過車削主軸與動(dòng)力刀架的銑刀主軸合運(yùn)動(dòng)，在一次裝夾的條件下可以完成全部的加工工序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其高速復(fù)合加工的目的。
　　銑車復(fù)合加工中心立柱作為整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承載基體，它的剛度及固有頻率性

2、能對(duì)于零件加工精度、表面質(zhì)量及加工過程的噪聲、振動(dòng)都有較大影響。本文借助計(jì)算機(jī)建模與有限元仿真技術(shù)，以進(jìn)一步提高立柱結(jié)構(gòu)綜合力學(xué)性能為目的，探索出一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)與仿生設(shè)計(jì)原理為一體的機(jī)床支承件設(shè)計(jì)方法。在研究的過程中，依次從分析立柱承受的工作載荷、立柱結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)性能、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)等四個(gè)方面進(jìn)行深入研究，為機(jī)床的大件設(shè)計(jì)提供新的思路。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）依據(jù)復(fù)合加工中心實(shí)際工作情況，以

3、銑削HT300材料為前提，首先具體分析和計(jì)算復(fù)合加工中心在最大工作載荷位置和典型加工位置工況下立柱的受力狀況。然后建立立柱有限元模型，以最大工作載荷位置工況為條件進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)與動(dòng)態(tài)性能分析。從仿真分析的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，立柱的最大變形發(fā)生在左側(cè)立柱頂部位置，總體最大變形量為0.248mm，主要以 Y方向變形為最大變形方向；得到了立柱前六階固有頻率及其對(duì)應(yīng)振型，并根據(jù)諧響應(yīng)分析結(jié)果得到激振頻率為80Hz時(shí)在立柱上會(huì)發(fā)生較為明顯的位移。<

4、br>　?。?）基于拓?fù)鋬?yōu)化中的變密度法，首先總結(jié)并建立了立柱結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化完整的數(shù)學(xué)模型。然后利用HyperWork軟件，建立立柱拓?fù)鋬?yōu)化初始迭代有限元模型，通過對(duì)非設(shè)計(jì)域施加兩種靜態(tài)工況子目標(biāo)和對(duì)全局設(shè)置一種動(dòng)態(tài)低階頻率響應(yīng)約束，求解并獲得多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化立柱結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑。最后根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，提出了在保持立柱原有外形不變的情況下對(duì)立柱內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化建議，同時(shí)為下一步運(yùn)用結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)方法對(duì)內(nèi)部筋板隔板進(jìn)行設(shè)計(jì)與布局奠

5、定基礎(chǔ)。
　?。?）根據(jù)優(yōu)化建議確定的設(shè)計(jì)方向，從立柱的薄壁多腔結(jié)構(gòu)特性與空莖植物結(jié)構(gòu)相似性出發(fā)，分析芭蕉葉柄結(jié)構(gòu)的力學(xué)與構(gòu)型特性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)中起主要作用的六邊形網(wǎng)格單元進(jìn)行計(jì)算。然后提取三種芭蕉葉柄結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出三種仿生型隔板方案，并進(jìn)一步結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化建議，采用太陽筋板和井字型筋板分密度和梯度重新對(duì)立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立了三種仿生型立柱三維模型。
　　（4）通過對(duì)三種仿生型立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析

6、的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在相同載荷與約束條件下，A、B、C三種仿生設(shè)計(jì)方案的立柱的比剛度效能較原型設(shè)計(jì)分別提高了85.94%、82.53%和89.60%，綜合力學(xué)性能提升十分明顯。其中以仿生型C立柱的靜動(dòng)態(tài)性能最為優(yōu)異，與原型設(shè)計(jì)相比較，其最大變形總量減小了48.35%，誤差敏感方向Y方向上變形減小了70.41%，立柱前六階模態(tài)的固有頻率平均提升17.50%左右，且在前六階模態(tài)下的最大變形也有顯著減小。因此，仿生設(shè)計(jì)后的立柱在進(jìn)一步高效利用材料的