镗床支承件结构设计与评价

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1、大连理工大学硕士学位论文测试手段和测试技术的不断进步，使得机床性能实验准确度也得到了提高，使机床设计从仿制类比设计走向改进设计。通过实验来验证有关设计方法，验证新材料、新结构和新工艺，使设计计算建立在实验的基础上，可靠性得到了提升。如采用静力加载测量变形、激振试验测量振动等。这种方法至今仍是有效可行的方法。3．现代设计现代设计是基于信息技术、计算机技术、设计方法和计算方法的迅速发展而出现的设计方法。其主要特点为：(1)从经验设计到理论设计：经验类比设计方法由于受到设计人员的经验和水平的限制，应用范围较小。因此基于类似的设计方法以及计算机技术、优化

2、方法技术的发展为理论设计创造了条件，并取得了明显的效果。如应用有限元分析和优化技术相结合的机床结构的优化设计。(2)从静态设计到动态设计：静态只是机床装配后非工作时间的状态，而动态设计更符合机床的实际工作状况，按静态理论计算的结果不一定满足动态要求。随着机床向高速化发展IloJ，以支承件和整机系统为设计对象的动态性能设计已广泛用于现代机床设计。(3)从人手设计到计算机辅助设计：计算机辅助设计(CAD)始于20世纪50年代。伴随着信息技术和计算机技术的发展，利用计算机运算速度快并具有逻辑判断和储存能力，与设计员的经验、构思相结合，使设计周期缩短，性

3、能提高【11】。1．3．2支承件结构设计研究现状机床设计方法的不断优化以及计算机行业的迅猛进步使得现代设计(主要指有限元设计)占领者机械行业的设计主导地位。特别是在航空航天、造船、汽车、建筑等设计制造行业，基于有限元方法的性能分析以及结构优化设计得到了广泛应用。比如航空航天领域的复杂外形飞行器热流的NND有限元数值计算方法等‘12H15】；建筑领域的火电厂圆形烟风道设计中的有限元分析方法等‘16】。[18】：材料领域的韧性金属材料渐进断裂的有限元算法研究【19J等。有限元方法也成为机床设计的主要方法。机床设计包括两部分设计：①整机构型设计，即根据

4、加工要求合理布置支承件位置、分配运动自由度；②支承件结构设计，即合理设计支承件结构，使各个支承件连接起来能满足所需要的加工精度。第一部分是功能要求设计，第二部分是性能要求设计。机床支承件结构设计旨在提高支承件性能，包括提高支承件刚度，减轻支承件重量。这样才能降低生产成本，满足更高需求。而机床各个支承件相互组合，就能进一步提高机床的性能。所以，为了提高机床的整机性能，第二部分设计是设计重点。镗床支承件结构设计与评价支承件轻量化设计、结构优化设计、性能分析与评价与支承件结构设计密切相关，以下将按照这三部分对近年来的研究现状进行归纳和总结。1．支承件轻

5、量化设计目前，对于轻量化的研究，相对成熟的技术大都集中在大型起重机行业以及汽车行业，对机床支承件的轻量化研究才刚刚起步。总的来看，机床加工中心轻量化的实现方法主要有两种途径：一种是采用新材料，如镁合金、铝合金、高强钢或者复合材料等来实现轻量化设计【201；二是在材料不改变的情况下，对结构进行优化，如结构拓扑优化、结构形状优化、结构尺寸优化等来减轻结构重量【211。针对投入生产销售支承件轻量化设计，第一种途径受到技术、成本、加工工艺等因素的制约，因此支承件轻量化设计普遍采用第二：种途径。比如刘志强、王明强、朱永梅提出了基于连续体拓扑优化理论进行计算

6、机辅助结构的概念设计系统，运用此系统对舵叶加工机床设计中的升降台构件进行结构概念设计，设计结果在保证结构刚度性能的同时达到了结构轻量化的目的【221；马雅丽、赵二鑫、赵宏安、孙守林对数控车削中心床鞍进行轻量化设计，达到在保证床鞍刚度和动态性能的前提下床鞍的质量减少了14．33％的效果[231。可见，对机床支承件的轻量化研究具有重要意义。2．支承件的结构优化目前，随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，优化设计己发展成为一项新技术。它以最优化数学理论和现代计算技术做基础，以计算机优化程序为手段，在最优化设计的原则下，寻求设计的最优方案【24j。大体来说

7、，结构优化过程主要可以分为几个步骤：把工程中遇到的实际情况演变为包括设计变量、目标函数和约束条件三个要素的数学问题：以此为基础，根据相应的算法进行程序编写和计算从而对此数学模型进行求解[25】_[281。本文将从数学模型和优化算法对支承件结构优化设计进行总结与概述。(1)结构优化数学模型①设计变量在某个设计过程中，用来描述所存在的设计问题基本特征的参数称为设计变量。设计变量的数目称为优化设计的维数。如，有n个(n=1，2，3⋯⋯)设计变量，则称作行维设计问题，常用矩阵表示，即大连理工大学硕士学位论文X=五毛●：矗=【五，而，⋯，矗】’这是设计点在

8、”维空间中的坐标值，设计空间即是这些设计点的集合。在理论方面，设计变量多有利于设计出好的设计方案，但这会使设计问题变得复杂、优化计算时间