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规械度
基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究
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张学玲徐燕申钟伟泓
天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室,天津

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摘要运用结构动态设计原理和有限元法的变量化分析技术,提出一种数控机床床身结构的
动态设计方法和流程。结构的固有频率越高,其动、静刚度越好。以一立式加工中心床身为例,先提取床身的典型元结
构和框架结构对其进行优化,在此基础上以床身结构固有频率为优化目标,以元结构和框架结构优化结果为依据,提出
该床身结构若干改进方案,并对各方案进行比较分析。文中提出的方法可推广到其他结构的动态设计中。
关键词有限元法变量化动态设计结构优化固有频率
中图分类号
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、分别为质量和刚度矩阵. 厂为外激励矩阵,
引言
这里为零矩阵;、互分别为物理坐标下的位移和
工作机械如机床和通用机械等复杂机械系统,常加速度矩阵。式的特征方程为
受振动、噪声等问题的困扰,提高结构动态特性,是结一
构优化的主要任务。机械结构的模块化设计以有限元解此方程得∞的个互异正根。。,,⋯,
分析为核心,动态结构优化为基础,通过结构的优化, ,并按升序排序, ⋯,第阶
不仅使零部件的静力学性能得到改善,还使结构的抗
固有圆频率
振特性得到提高,节省材料,获得最佳的结构尺寸。
机床床身结构是机床重要的基础件,其动态特性
∞。√等或固有频率√妻
影响到整个机床的工作性能,但设计工作常因设计人
几■
员的经验而定。本文在有限元分析基础上,力图探求各阶固有频率均成正比,大,说明单
其动态设计的一般方法。
位质量的刚度高,可作为结构动态设计的一个优化目
结构动态分析理论基础标。
一凡自由度的无阻尼振动系统可表示为一般机械结构系统动态优化准则为:提高各
互阶固有频率;各阶固有频率尽量均布;避免固
收到初收到修改稿。国家自然科学基金资助项目。
张学玲,女,年月生,山西文水人,汉族。讲师,。
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机械强度往
有频率与外界激励频率一致引起共振;各子结构
的动刚度不出现明显薄弱环节。
变量化动态分析过程
变量化分析⋯是在参数化、变量化造型和有限元
分析的基础上进一步发展的一种面向设计的快速重分
析方法。在设计早期进行设计验证和预测产品性能,可
减少产品开发过程的反复。
变量化动态分析是在结构布局、关键设计参数在
一定范围内发生变化时,分析结构的固有频率、动态响
应等结构动态参数的变化情况,以选择合适的结构布
局和尺寸参数,提高结构的动态性能。
对床身变量化优化,首先要对床身拓扑结构进行
分析,选取适当的结构单元类型,再建立有限元变量化
模型。
变量化动态设计的一般过程如图所示。
方出砂孔兀结构圆出砂孔元结构
结构分解,提取无结构和框架结构
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图元结构示意图
元结构动态优化.

内部独立的元结构进行分析,以便确定合理的床身元