高速铁路道岔数控龙门铣床的多目标优化

以高速铁路道岔数控龙门铣床为研究对象.首先运用SolidWorks软件建立了机床的三维实体模型,然后运用Hy?perMesh软件建立机床的有限元模型,通过灵敏度分析找到机床结构的关键尺寸,并使用OptiStruct模块对其进行以柔度和固有频率为目标函数的尺寸优化,计算出了机床的最小柔度为5928.78J,最大1阶固有频率为34.87Hz.最后利用折衷规划法将柔度和固有频率组合成新的函数,并对其进行了多目标优化,优化后机床1阶固有频率提高了18.4％,2阶固有频率提高了17.1％,柔度降低了27.2％,质量降低了4.0％,优化效果良好.该优化方法可以为机床的优化提供参考.     

基于模态预测及敏度分析的机床动特性设计方法

为了提高机床的动态性能,以机床整机固有频率和频响函数振幅为目标,提出基于机床测试数据、进行试验模态分析及灵敏度计算的机床动态特性设计方法。方法首先提取机床测试数据建立机床结构原型模型,逐步计算机床大件结构和整机的固有频率对刚度、质量的灵敏度,确定结构薄弱环节;继而,对薄弱结构,采用模态预测和灵敏度分析方法设计计算,获取更合理的质量和刚度;之后,将设计分析结果输入LMS_Test.lab软件,借助软件完成对原型结构的模态修改,对修改后结构的动力学特性进行模态预测;最后,进行预测结果模态置信验证,确认模态预测的正确性,完整机床动态特性设计方法体系。将该方法应用于实际机床设计中,对比整机优化前后的频响函数曲线和仿真分析验证均证明,基于模态预测及灵敏度分析的机床动态特性设计方法完成的机床优化设计使得机床固有频率得到提高的同时振幅下降,机床的大件结构及整机的动态性能均有提升。     

立式制动盘专用机床立柱多目标优化

立柱是机床加工的关键零部件之一,其性能的优劣对加工精度有很大的影响。鉴于立柱和滑座(下座)结构的复杂性以及有限元Workbench平台建模的薄弱性,采用三维软件SolidWorks进行参数化建模,对其进行模态分析、静力学分析的研究。在静动态分析的基础上,利用有限元中Design Exploration模块对模型进行响应面分析优化,通过灵敏度分析,找到影响程度较大的关键尺寸,对关键尺寸进行优化。优化结果表明,在相同约束和受力的情况下,一阶固有频率提升4.0%,质量减少9.8%,实现了轻量化的目的,满足机床的设计要求。     

卧式加工中心床身灵敏度分析及优化设计

床身是机床的主要支撑件之一,其动态特性对机床的性能起到关键作用。利用ANSYS Workbench对一种卧式加工中心的床身结构做模态分析,求得床身结构固有频率。计算床身结构各个壁板厚度变化时,质量和固有频率对尺寸的灵敏度,以床身壁板和筋板厚度尺寸作为优化参数,质量为约束条件,前三阶固有频率的加权平均值作为优化目标,建立优化方程。利用MATLAB软件求得优化方程的一组最优值,并通过模态分析对比了优化前后床身的固有频率。结果表明,优化后的床身前三阶固有频率分别提高7.5%、4.2%和5.3%。     

某加工中心滑座的动态特性测试与优化

针对立式加工中心滑座的动态特性直接影响整机的加工精度等问题,以某型号加工中心为研究对象,采用有限元分析和试验分析相结合的方法,进行静动态特性分析。利用SolidWork软件进行三维模型的建立,使用Ansys Workbench软件对该加工中心进行动态特性分析,对关键尺寸进行灵敏度分析,选择对滑座性能影响较大的尺寸进行优化设计。采用遗传算法对不同的优化目标进行优化,最终得到优化后的加工中心滑座的前四阶固有频率和总质量有了明显改善,提高了机床加工的精确度。     

基于模态灵敏度分析的机载控制台尺寸优化

机载控制台杆件较多,结构复杂,尺寸优化过程中设计变量较多,在尺寸优化前必须对其进行灵敏度分析。以多目标拓扑优化后的某机载控制台下台体为研究对象;以下台体各构件的厚度尺寸作为设计变量;以质量为约束条件;以第一、第二阶固有频率作为优化目标进行灵敏度分析。获得了下台体第一、第二阶模态频率及质量对杆件厚度的灵敏度变化情况及第一、第二阶固有频率相对于质量的灵敏度值。以下台体质量作为优化目标函数;结构第一、第二阶模态频率作为约束条件;选择第一、第二阶模态频率对质量的灵敏度绝对值较大的杆件厚度尺寸作为设计变量进行尺寸优化。分析结果表明,尺寸优化后结构的低阶固有频率明显提高,质量稍有减少,具有较好的动态性能。为下台体结构尺寸的确定提供依据。     

车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计

针对TTB300-1500车-车拉数控机床拖板的结构特点,运用有限元优化设计方法,建立了机床拖板的有限元计算模型,进行了模态分析,给出了机床拖板的前4阶固有频率和相应振型,并对机床拖板的几何参数进行动态特性的灵敏度分析。在此基础上,确定了机床拖板主要设计参数的变化对低阶固有频率的影响规律,指出了机床拖板的薄弱环节。通过修改设计参数对机床拖板进行结构优化,提高了机床拖板的动态性能,为机床支承部件的优化设计提供了可借鉴的方法。     

面向机床整机动态性能的立柱结构优化设计研究

针对某机床结构薄弱件立柱的结构优化设计,提出了一种基于拓扑优化、筋板形式选择与布局以及尺寸优化的结构设计方法。首先利用有限元法(finite element analysis,FEA)对机床整机进行动力学分析,模态分析与谐响应分析结果表明立柱为影响整机动态性能的关键结构件。然后以立柱结构为优化目标,对立柱进行拓扑优化,根据拓扑优化的材料分布情况设计了立柱的最优基本结构形式,再通过选择抗弯、抗扭刚度较好的W类型筋板进行布局与尺寸优化,得到了最终的立柱优化结构。最后对优化的立柱结构进行验证,分析结果表明:该结构设计方法有效地改善了整机的动态性能,在立柱质量减轻的前提下,优化后的整机前六阶固有频率均得到了不同程度的提高,其中一阶固有频率提高了10%以上;并且机床在x方向上的最大共振峰值下降了49.8%,y方向下降了70.1%,z方向下降了66.2%。     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

高速动车组驱动齿轮箱的约束模态分析与结构改进

以某高速动车组驱动齿轮箱为研究对象,采用APDL语言建立齿轮箱约束模态分析参数化模型,应用弹簧单元模拟轴与箱体之间的结合面,通过有限元分析得到齿轮箱前4阶约束模态振型及其固有频率;运用Sobol局部灵敏度分析方法,确定影响齿轮箱固有频率的关键结构参数,分析关键结构参数对固有频率的影响规律;在此基础上,对关键结构的尺寸参数做出改进,使齿轮箱的1阶、2阶固有频率提高了5％以上,提高了齿轮箱的抗振能力.为高速动车组驱动齿轮箱的改进设计提供了理论依据.     

基于ANSYS的球齿轮磨齿机床滑座结构有限元分析

采用ANSYS有限单元法,建立了球齿轮磨齿机床滑座的实体单元模型,对滑座的结构进行了静力分析与振动模态分析,得到滑座的前六阶固有频率及模态振型,通过分析底板厚度对滑座固有频率的影响,找出影响滑座频率的主要因素,得到合理的滑座结构尺寸。     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

数控龙门铣床横梁静动态特性分析与优化

为了提高数控龙门铣床横梁的静动态特性,提出了一种基于灵敏度分析与中心组合设计(Central Composite Design,CCD)相结合的方法对横梁结构进行优化设计.在对横梁进行受力分析的基础上建立横梁的有限元模型,选择关键尺寸对横梁进行静动态特性的灵敏度分析.根据灵敏度分析结果,选择对横梁的静动态特性影响比较大的尺寸进行CCD试验设计,建立响应面模型,以总变形量最小、1阶固有频率最大和质量最小为优化目标对横梁进行多目标优化设计.优化结果表明:横梁在质量减轻的前提下,其静动态特性得到不同程度的改善,为其他结构的优化设计提供了一种新思路.     

基于拓扑优化方法的机床立柱轻量化设计

以某型机床立柱为研究对象,开展了立柱结构的轻量化研究工作。首先,利用Hyperworks软件对立柱结构进行静态和动态特性分析,得到立柱在切削力工况下的应力、变形位移云图、固有频率、振型以及频率位移响应曲线;然后,采用变密度法以柔度最小为目标函数进行拓扑优化,根据拓扑优化云图得到立柱内壁的筋条排布形式;接着,提取加筋板的中面并建立2D模型,进行尺寸优化设计,得到加筋板的最优厚度尺寸;最后,将优化模型与原模型进行力学性能对比分析。优化结果显示:基于拓扑优化方法的机床立柱可在减轻重量的同时提高其静、动态特性。     

机床整机动刚度薄弱环节辨识与优化方法研究

提出一种机床整机动态分析指导薄弱部件改进的优化思路,即通过对机床整机的动刚度进行分析,辨识出不同激振频率下整机中的薄弱环节,明确优化目标,提高优化效率。利用ANSYS Workbench软件对一种卧式加工中心进行谐响应分析和模态分析,辨识出立柱是整机x向和z向动刚度的最薄弱环节。以立柱结构为优化对象,运用灵敏度分析法计算出立柱质量和固有频率对各个壁板的灵敏度。以立柱固有频率为优化目标,立柱质量为约束条件,建立优化方程。利用Matlab软件求解该方程,得到立柱的优化结果。通过谐响应分析得到优化后机床整机的动刚度,结果表明,优化后立柱在质量不增加的情况下,整机在x向和z向的最大共振峰值降低约6.5%,相应的共振频率提高约10%。     

基于ANSYS的主轴箱优化设计

以数控加工中心主轴箱为研究对象,利用SolidWorks建立三维模型,并用ANSYS分析主轴箱在最恶劣工况下的受力情况。对主轴箱进行模态分析,提取了前四阶固有频率及振型图。根据静动态特性分析结果,结合主轴箱几个关键尺寸对结构静刚度和重量的影响,进行了优化。对优化后的主轴箱进行了静动态特性有限元分析,主轴箱重量减少了39.8 kg,变形和应力也得到了降低,前四阶固有频率大幅提高。优化后的主轴箱静动态特性都得到了显著提高。     

高速立式加工中心床身结构动态设计

床身是机床结构的重要组成部分,对机床整机的动态特性具有重要影响.为了提高床身结构的动态特性,建立高速立式加工中心床身的CAD/CAE模型,借助有限单元法,运用灵敏度分析和结构优化的方法,对加工中心床身开展以提高床身的低阶固有频率为目标的动态结构优化设计,得到床身筋板厚度和壁厚的最佳匹配值,使床身前两阶固有频率较优化前的结构分别提高了11.44%和1.69%,床身动态特性得到明显提高.     

基于Hyperworks大型卷板机上梁轻量化设计

以某大型卷板机上梁为研究对象,建立基于Hyperworks的上梁有限元模型。首先,通过拓扑优化,根据密度云图所示的材料分布,在上梁原有筋板结构基础上改进筋板布局;再运用有限元分析方法,对上梁关键尺寸进行性能指标的灵敏度分析;利用最小二乘法,得到上梁各关键尺寸变化时质量对结构刚度和强度变化影响的灵敏度;最后,利用Optistruct优化模块,建立以灵敏尺寸作为优化参数,满足结构强度、刚度和板厚度尺寸为约束,整体质量最小为目标的尺寸优化,得到最佳的尺寸配置。优化后的结构质量下降4.431吨,取得很好的优化效果。     

基于模态分析的机床床身优化设计

为提高平面光学元件抛光机床的加工精度,对其床身进行模态分析,得到机床结构固有的振动特性,实现对机床床身的优化设计。首先,通过3D建模软件构建机床模型,并将其导入ANSYS有限元软件中进行模态分析,得出机床的前几阶固有频率和振型;然后,根据模态分析结果对机床横梁和立柱进行优化设计,得出优化结构;最后,对优化后结构进行模态分析,并将结果与优化前分析结果进行对比。对比可得,优化后的机床床身前三阶固有频率分别提高15.61%、14.63%和16.07%,有效提高机床稳定性,提高工件加工精度。     

基于截面拓扑及灵敏度分析的机床床身优化设计

为提高某精密铣齿机床身的动静态性能,运用截面拓扑优化方法寻找床身截面的最佳截面形状,结合有限元法的变量化灵敏度分析法,对床身截面结构中的一些关联尺寸进行灵敏度分析研究,对床身结构进行改进优化。通过与原床身结构进行比较,分析结果表明,优化后的床身的动静态性能得到了明显的改善。