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本文在总结数控机床发展现状的基础上,针对某型立式钻床生产成本较高的现象,利用ANSYS有限元软件对钻床立柱部分进行了动静态性能分析,并在保证其动静态性能的前提下,以立柱减重为最终目标提出改进方案,并对改进后的结构进行了动静态性能验证。
首先,对有限元理论给出了较为详细的介绍,并依据钻床结构特点,利用APDL语言建立钻床立柱的有限元参数化模型,给出简化后的载荷与约束,对其进行了静态性能的分析。为提高分析效率、保证分析结果的准确性,本文对立柱的分析采用了多种加载方式,通过分析结果的比较,得到既准确又有效的加载方法,为后续模型的优化奠定了基础。
其次,本文简要介绍了结构优化的相关理论,并概述了ANSYS优化程序。立柱的优化减重本应建立在保证原有动静态性能的基础之上,但对加工精度主要受静态性能影响的立式钻床而言,其静态性能指标就成为结构改进优化的重要标准。因此,以立柱静态优化为主体,在保证立柱原有静态性能的前提下,优化立柱结构,降低立柱重量。为减少ANSYS优化难度,确保利用有限资源下对立柱ANSYS优化的的顺利进行,本文在该部分主要对除去内部加强筋的立柱外壳进行优化。同时考虑到不同的参数化建模对优化结果的影响,在优化过程中采用不同的建模方式,并分别设定不同变量为设计变量,目的在于针对不同的方法寻求更好的优化途径。在此优化基础之上,针对立柱内壁加强肋的布置,给出了四种布置方案,通过有限元分析,从中选出的较为合理的肋板形式,组成新的立柱模型。
再次,为提高立柱的减重量,满足企业对成本降低量的要求,本文根据立柱的受力特点,采用优化选型法对立柱的结构做进一步的改进,寻找更为有效的减重模型。在此过程中,本文采用给出两种选型方法,通过选型方案,虽未得到新的立柱模型的最优解,但最终选择的模型更为符合要求,并满足了企业要求的生产成本。
最后,在完成了立柱静态优化改进后,本文又介绍了立柱动态性能的求解方式,对模态分析有限元方程的建立也作了概述。由此结合有限元软件ANSYS对立柱各优化模型进行了模态分析,得到不同优化方案下立柱的各阶固有频率。通过与原立柱的各阶固有频率相比,寻找改进后立柱动态性能满足要求的模型,至此达到优化改进的目的。本文的动静态分析及结构优化改进的措施,为机床的设计和结构改进提供了参考价值。