龙门加工中心联接板结构分析与优化
指导教师 卢熹 摘 要在社会不断进步的同时，各类基础工程建设也在不断发展，人们对工程机械产品提出了越来越高的要求，在环境保护方面，在节能减排方面，在用户体验感觉方面，在操作的熟练度方面，在使用年限的方面，关于龙门机床的方面性能，各个重量的零件，龙门机床都可以发挥巨大的作用。作为龙门机床的主要结构部件，机床的联接板在机床的动静态性能方面起到极为重要的作用。然而，由于机床性能要求越来越高，只是不断提高成本和形状，传统保守的设计理念是不可行的，所以这就需要我们提供更加有效、精确的设计方案.利用有限元分析软件零件进行建模，有限元分析并对其分析结果进行优化，对比优化结果，选择最优方案。将此方法应用龙门加工中心，对机床使用性能，结构优化都具有促进意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本文研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3结构优化发展趋势 2
1.4课题研究内容 2
第二章 龙门加工中心有限元仿真 3
2.1有限元分析理论 3
2.2有限元简单介绍 3
2.3运用有限元求解 4
第三章 有限元软件简介 6
3.1Abaqus软件介绍 6
3.2Abaqus软件特点： 6
3.3Abaqus/CAE界面介绍 7
3.3.1Abaqus的功能模块 7
第四章 联接板结构分析与优化 9
4.1原联接板结构的动力学模型及分析 9
4.2 改进联接板模型及其动、静态特性分析 11
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
第一章 绪论
1.1本文研究背景
龙门大型数控加工中心是一个垂直于工作平台的加工中心。它是一个将机械与光电子学熔于一炉的大型加工机床，因为其加工精度高，加工技术的自由化以及应对工作环境的多元化，该类机床不仅可以对表面工艺复杂的大重型零件，还可以适用于不同工作环境，应对不同的工序要求如丝，钻等复杂工艺[1]。
联接
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板作为是龙门加工中心机床的关键零部件之一，承载了主轴箱、滑座等重要部件的重力和机床工作时产生的切削力，起到支撑与移动的作用。作为龙门加工中心的重要部件，联接板性能的好坏直接关系到机床整体性能的好坏，因此我们需要对联接板进行模态分析，然后对联接板模型进行优化，保证有限的优化设计情况下联接板的使用性能更优越。
本次论文重心就是对联接板进行模态分析，寻求优化方案。
1.2国内外研究现状
优化设计是在上个世纪的基础上产生的。它是基于现代数学规划和计算机编程理论，在一定条件下能够对进行设计的技术和材料进行分析，寻求一种经济技术指标的最优设计方案。因此优化设计应用于机床领域是必然的。对机床的机构优化不但可以节省材料还可以使性能更加优越，所以这项技术愈加被人重视也是必然的[2]。
随着优化设计的深入人心，优化方法的合理性也成为人们探讨的话题，于是采用有限元法对其进行分析应运而生，并且一直沿用至今。
在国外，龙门加工机床结构优化发展是巨大的。许多的学者运用有限元对机床部件进行结构分析与优化，在此过程产生的颤震引发了人们的研究。再如：虚拟技术被美国州立大学研究所的学者运用于机床进优化上。
在国内研制新型龙门加工中心时，应用有限元分析对机床的静动态性能进行预测和优化，研制出了具有动态响应特性好、刚性好等优点的机床。又如：龙门加工中心联接板部件结构采用实验与理论相结合的方法，并采用有限元分析方法对其进行静动态特性分析，找到了影响联接板刚度不足的原因，对联接板进行了进一步的改进。
1.3结构优化发展趋势
随着优化技术的运用，机床设计的方法也越来越成熟，涉及的学科范围也越来越广泛，如拓扑优化，静力学分析等等如今都可以从中发现它们的影子。但如今还有两方面难题，其一：要想保证多种特性同时存在并进行优化是极为困难的，其二：对于整体进行有限元建模并优化也很难成功。所以目前国内机床优化技术发展趋势是:
结构设计和分析同步进行。在结构设计的同时将结构分析贯穿其中从而规划出最佳方案[3]。
在机床设计的各个处理阶段结构优化都将被施行。
虚拟实验可以代替实际模型，这样就算没有实物也可以进行运算还存在快速，简便以及反馈信息大等优点。而其中最大的优点是可以再发现问题时可以及时更改从而避免时间与资源的浪费。对机床的动静态特性愈加重视。
优化技术不再是专业人士独享，技术的平台化将使普通人也会使用，降低了使用门槛。
为应对不同的工作环境，优化技术的智能化势在必行。
1.4课题研究内容
根据龙门加工中心联接板的尺寸，参考现实中联接板的尺寸，属性使用有限元软件进行建模，并赋予其材料属性，如：质量，泊松比等。对所建模型划分单元后根据有限元软件Abaqus对其模态分析，根据分析结果查看联接板分析结果考虑优化方案，将优化方案以上方的方法再次进行模态分析，最后将优化方案结果与原模态分析结果相对比，查看优化是否成功。
第二章 龙门加工中心有限元仿真
2.1有限元分析理论
在工作过程中对材料进行静态分析时，如果分析结构复杂从而使用运算方法无法精准的确定解值。这时候就需要有限元法解析材料了。
有限元是一种对材料进行模态分析应对与多种学科问题的高效求解方法。应对实际材料首先要将模型分解为散化得网络格点，再根据模型特点排列组合确定模型成功组合，之后对每个单元进行平衡性等分析，最后对整体力学特征求解的方法。有限元法是对离散为一组的元素求解，用于表示解域中的未知场函数，相类似的函数可由未知的函数和导数在每个单元间节点的插值函数来表达，从而将原件的连续无限变为离散有限使计算变的简单，易于计算。在机械工程方面可以看做是将模型部件所受应力以相同单元分散的计算模式[4]。有限元理论随着计算机理论的不断发展在分析计算方面取得了极大地进步，面对的环境的多元化成就了有限元法使其理论推陈出新，对于实践应用也有促进作用。从1950年后，众多有限元分析软件如雨后春笋般相继被推出，其中如ANSYS，Patran/Nastran，Abaqus，Hypermesh等软件的存在极大程度上为有限元求解者提供了一个相对简单方便的工作平台，不但减少了工作量，还提高了工作质量，这就使工作者以更少的时间完成更多的作业。对于全球上多种领域的发展起到极大的推动作用。
根据所得到的方程中含有未知性质可以分为三种：一种是基于位移的未知量分析法，这是所说的位移法，一般采用最小势能原理或虚拟位移原理进行了分析。另一种是对应力的分析，称之为应力法，并用最小余能原理分析；第三部分是位移和部分应力同时作为未知量的分析，它称为混合方法[5]。
2.2有限元简单介绍
进行有限元分析首先要做的便是将所需分析的模型化为有限的单元，而对于真实模型的模态分析反馈则要取决于对有限元模型的建立方式。因此建模方式对于机床与联接板的建模极为重要。在有限元软件中具有一维，二维和三维单元等有限单元库保证了有限元的建模。
在本文中，主要使用有限元分析软件Abaqus进行有限元分析。
2.3运用有限元求解
目 录
第一章 绪论 1
1.1本文研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3结构优化发展趋势 2
1.4课题研究内容 2
第二章 龙门加工中心有限元仿真 3
2.1有限元分析理论 3
2.2有限元简单介绍 3
2.3运用有限元求解 4
第三章 有限元软件简介 6
3.1Abaqus软件介绍 6
3.2Abaqus软件特点： 6
3.3Abaqus/CAE界面介绍 7
3.3.1Abaqus的功能模块 7
第四章 联接板结构分析与优化 9
4.1原联接板结构的动力学模型及分析 9
4.2 改进联接板模型及其动、静态特性分析 11
结束语 13
致 谢 14
参考文献 15
第一章 绪论
1.1本文研究背景
龙门大型数控加工中心是一个垂直于工作平台的加工中心。它是一个将机械与光电子学熔于一炉的大型加工机床，因为其加工精度高，加工技术的自由化以及应对工作环境的多元化，该类机床不仅可以对表面工艺复杂的大重型零件，还可以适用于不同工作环境，应对不同的工序要求如丝，钻等复杂工艺[1]。
联接
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板作为是龙门加工中心机床的关键零部件之一，承载了主轴箱、滑座等重要部件的重力和机床工作时产生的切削力，起到支撑与移动的作用。作为龙门加工中心的重要部件，联接板性能的好坏直接关系到机床整体性能的好坏，因此我们需要对联接板进行模态分析，然后对联接板模型进行优化，保证有限的优化设计情况下联接板的使用性能更优越。
本次论文重心就是对联接板进行模态分析，寻求优化方案。
1.2国内外研究现状
优化设计是在上个世纪的基础上产生的。它是基于现代数学规划和计算机编程理论，在一定条件下能够对进行设计的技术和材料进行分析，寻求一种经济技术指标的最优设计方案。因此优化设计应用于机床领域是必然的。对机床的机构优化不但可以节省材料还可以使性能更加优越，所以这项技术愈加被人重视也是必然的[2]。
随着优化设计的深入人心，优化方法的合理性也成为人们探讨的话题，于是采用有限元法对其进行分析应运而生，并且一直沿用至今。
在国外，龙门加工机床结构优化发展是巨大的。许多的学者运用有限元对机床部件进行结构分析与优化，在此过程产生的颤震引发了人们的研究。再如：虚拟技术被美国州立大学研究所的学者运用于机床进优化上。
在国内研制新型龙门加工中心时，应用有限元分析对机床的静动态性能进行预测和优化，研制出了具有动态响应特性好、刚性好等优点的机床。又如：龙门加工中心联接板部件结构采用实验与理论相结合的方法，并采用有限元分析方法对其进行静动态特性分析，找到了影响联接板刚度不足的原因，对联接板进行了进一步的改进。
1.3结构优化发展趋势
随着优化技术的运用，机床设计的方法也越来越成熟，涉及的学科范围也越来越广泛，如拓扑优化，静力学分析等等如今都可以从中发现它们的影子。但如今还有两方面难题，其一：要想保证多种特性同时存在并进行优化是极为困难的，其二：对于整体进行有限元建模并优化也很难成功。所以目前国内机床优化技术发展趋势是:
结构设计和分析同步进行。在结构设计的同时将结构分析贯穿其中从而规划出最佳方案[3]。
在机床设计的各个处理阶段结构优化都将被施行。
虚拟实验可以代替实际模型，这样就算没有实物也可以进行运算还存在快速，简便以及反馈信息大等优点。而其中最大的优点是可以再发现问题时可以及时更改从而避免时间与资源的浪费。对机床的动静态特性愈加重视。
优化技术不再是专业人士独享，技术的平台化将使普通人也会使用，降低了使用门槛。
为应对不同的工作环境，优化技术的智能化势在必行。
1.4课题研究内容
根据龙门加工中心联接板的尺寸，参考现实中联接板的尺寸，属性使用有限元软件进行建模，并赋予其材料属性，如：质量，泊松比等。对所建模型划分单元后根据有限元软件Abaqus对其模态分析，根据分析结果查看联接板分析结果考虑优化方案，将优化方案以上方的方法再次进行模态分析，最后将优化方案结果与原模态分析结果相对比，查看优化是否成功。
第二章 龙门加工中心有限元仿真
2.1有限元分析理论
在工作过程中对材料进行静态分析时，如果分析结构复杂从而使用运算方法无法精准的确定解值。这时候就需要有限元法解析材料了。
有限元是一种对材料进行模态分析应对与多种学科问题的高效求解方法。应对实际材料首先要将模型分解为散化得网络格点，再根据模型特点排列组合确定模型成功组合，之后对每个单元进行平衡性等分析，最后对整体力学特征求解的方法。有限元法是对离散为一组的元素求解，用于表示解域中的未知场函数，相类似的函数可由未知的函数和导数在每个单元间节点的插值函数来表达，从而将原件的连续无限变为离散有限使计算变的简单，易于计算。在机械工程方面可以看做是将模型部件所受应力以相同单元分散的计算模式[4]。有限元理论随着计算机理论的不断发展在分析计算方面取得了极大地进步，面对的环境的多元化成就了有限元法使其理论推陈出新，对于实践应用也有促进作用。从1950年后，众多有限元分析软件如雨后春笋般相继被推出，其中如ANSYS，Patran/Nastran，Abaqus，Hypermesh等软件的存在极大程度上为有限元求解者提供了一个相对简单方便的工作平台，不但减少了工作量，还提高了工作质量，这就使工作者以更少的时间完成更多的作业。对于全球上多种领域的发展起到极大的推动作用。
根据所得到的方程中含有未知性质可以分为三种：一种是基于位移的未知量分析法，这是所说的位移法，一般采用最小势能原理或虚拟位移原理进行了分析。另一种是对应力的分析，称之为应力法，并用最小余能原理分析；第三部分是位移和部分应力同时作为未知量的分析，它称为混合方法[5]。
2.2有限元简单介绍
进行有限元分析首先要做的便是将所需分析的模型化为有限的单元，而对于真实模型的模态分析反馈则要取决于对有限元模型的建立方式。因此建模方式对于机床与联接板的建模极为重要。在有限元软件中具有一维，二维和三维单元等有限单元库保证了有限元的建模。
在本文中，主要使用有限元分析软件Abaqus进行有限元分析。
2.3运用有限元求解
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