五轴龙门加工中心溜板优化设计(附件)【字数：8164】
摘 要 机床是工业之母，一个国家的机床制造水平是影响其综合国力的重要因素。在现在经济全球化和知识起主要作用的背景下，如何运用现代的知识，科技制造出高精度，高质量，高性能的机床是决定我国装备制造业水平关键。本文主要采用CAE软件，HyperWorks系列软件中的HyperMesh作为分析工具，对五轴龙门加工中心的溜板进行有限元分析建模，在经过对溜板进行网格划分之后，根据其实际工作环境及工作状况，对溜板施加相应的载荷，约束，从而进行静力和自由模态分析。然后根据分析的结果，找出溜板受力处应力应变的最大值，并根据自由模态频率，振型，数据找出薄弱环节，对溜板提出优化设计方案。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本课题研究的目的和意义 1
1.2本课题的国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内的研究现状 1
1.3本课题的选题依据 2
1.4论文的主要研究内容 2
第二章 龙门加工中心溜板有限元建模 3
2.1有限元分析法的介绍 3
2.2有限元模型的建立 3
2.2.1溜板结构的CAD建模 3
2.2.2溜板结构有限元模型的建立 4
第三章 龙门加工中心溜板基础仿真 6
3.1静力学仿真 6
3.1.1静力分析的简介 6
3.1.2静力分析过程 6
3.2自由模态分析 8
3.2.1自由模态与约束模态 8
3.2.2自由模态分析过程 8
第四章 五轴龙门加工中心溜板的优化设计 11
4.1溜板CAD模型的优化 11
4.2优化前后性能的对比 11
结束语 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1本课题研究的目的和意义
伴随着现代制造水平的不断发展，以及国家间，行业间的竞争不断加剧，装备制造业正飞快地发展着。五轴龙门加工中心是一种高档的数控机床，五轴联动技术配合百角头可以使得数控机床加工各种复杂形状的零件。随着航空航天 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
，航海等重工业的发展，对五轴龙门加工中心的要求也变得更为苛刻，要求其具有良好的动静态特性。根据许多相关实践的数据表明，机床的这些加工性能与其结构的静、动态特性有着很大的联系。通过优化机床的部件的结构来改善部件的动，静态性能，不仅可以提高机床的稳定性能、加工精度和工作效率，也可以提高机床的耐用性，可靠性。因此，对机床部件的静、动态特性的分析、学习及对部件结构的优化设计就愈加重要，它已经成为今天机床制造行业中，研发新产品的一个重要方面[1]。溜板在龙门加工中心上有着连接，支撑，定位的作用，是机床结构中十分重要的零件。它结构的动，静态特征和性能对机床整机的加工精度，加工效率和可靠性具有重要影响，是机床优化设计的重要部分。
本文采用的研究方法是有限元分析法。有限元分析法的基本思想是将结构离散，它就是将需要研究的一个连续体，简化为有限个，规则单元的离散体，通过对离散体的有限个，规则单元体的研究来确定研究对象性能的一种方法，它的基本思想与高等数学中微积分的思想有着许多相似之处。在实际设计中中可以解决许多理论分析无法解决的问题。有限元的发展历史已经有几十年，其技术已经很成熟，并且广泛地运用于机械领域。与传统的设计方法相比，采用有限元分析法，可以在很大程度上缩短设计周期，降低人力和物质成本，是目前比较主流的研究手段。
1.2本课题的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对有限元的研究比较早，在1960年，有限单元法这一名称第一次被提出。有限元分析法是伴随科学技术，计算机技术发展而迅速成长的现代分析法。在上个世纪，主要在连续体力学，航空，船舶制造中使用的比较多。随着集成电路，现代科学计算技术的不断发展，计算机分析的水平也在不断向前推进，有限元分析法的应用范围也越来越广泛。在国外，有限元分析法在机床上的应用已经十分的成熟。对一些大型机床，如龙门加工中心的结构研究，优化设计也十分活跃。例如，一些国外的企业采用一些专业的有限元分析软件对机床进行整体建模，并分析其整体结构特性，通过几种方案的比较，对机床结构进行优化设计。
1.2.2国内的研究现状
在建国初期，我国的经济相对落后，科技发展也受限。有限元分析技术发展的脚步慢于欧洲发达国家。改革开放以来，随着我国经济实力的不断提升，在装备制造业投入的研究与开发成本也在不断的增加，有限元分析计算有了快速的发展，有限元分析法在机床设计及优化领域应用越来越广泛，涉及优化的种类，难易程度也有所提高。目前国内在机床零部件结构分析，优化方面的研究主要包括：静力学仿真、模态分析、动力学分析等。如今有限元分析方法在机床零部件结构优化设计中的主要应用有[2]：
（1）静力学分析：对零部件施加具体的约束和载荷，然后进行仿真分析，这主要是为了得到机床零部件的应力和应变数据，通过实验数据查证零件的刚度和强度是否满足工作性质的需要，它是有限元分析在机床零部件结构设计优化中最基本并且最常用的分析种类。
（2）模态分析：为了研究机床零部件结构的固有频率和各种振型，频率等动态性能，这些动态特性数据为部件的优化提供依据。
1.3本课题的选题依据
随着经济全球化步伐的加快，各国之间的博弈，竞争更加激烈。一个国家装备制造业的能力对一个国家的综合实力有着尤为重要的影响。机床是制造之母，机床的设计，制造能力体现着一个国家的装备制造业的水平。五轴龙门加工中心是当今高档的数控机床，五轴联动可以让刀具实现复杂运动轨迹，能够加工各种复杂的几何模型，它在我国，航空航天，船舶等重工业领域有着很重要的地位，是我国如今大力发展的装备技术。溜板在五轴龙门加工中心是十分重要的部件，它主要起着连接横梁，支撑工件重力，定位刀具位置的作用。因此，溜板结构的动静态性能对龙门加工中心整体的稳定性、可靠性、高精度有着很大的影响。如今对数控控机床的性能要求更高，部分影响整体，部分零件的性能对机床整体的性能有着重要的影响，所以溜板的设计优化显得尤为重要，目前我国有限元法在机床设计优化中的应用处于起步阶段，但国外则已经处于成熟阶段，为了提高我国高档机床的研发能力，降低研究成本，提高我国装备制造业的综合实力，采用有限元分析法对溜板进行优化设计是很有必要的。
1.4论文的主要研究内容
本文主要研究的内容是为实现对五轴龙门加工中心溜板动，静态性能的改善，本文以国外主流的CAE分析软件Hyperworks软件包中的HyperMesh软件作为分析工具，根据分析的结果，改善溜板的结构，实现溜板结构的优化设计。Hyperworks系列软件中的HyperMesh在前期处理这方面的功能很强大，也十分专业。用该软件将建好的五轴龙门加工中心溜板的几何模型转化成有限元模型，并导入HyperMesh，进行几何处理和网格划分，建立好有限元模型后，根据实际的工况，设立载荷和约束，并进行静力学，自由模态分析。然后，以应力应变的最大值，六阶自由模态的频率为参考数据，对溜板的几何模型进行优化。将优化后的模型与优化前的模型进行对比，根据对比的结果，对溜板的结构提出合适的优化设计方案。
目 录
第一章 绪论 1
1.1本课题研究的目的和意义 1
1.2本课题的国内外研究现状 1
1.2.1国外研究现状 1
1.2.2国内的研究现状 1
1.3本课题的选题依据 2
1.4论文的主要研究内容 2
第二章 龙门加工中心溜板有限元建模 3
2.1有限元分析法的介绍 3
2.2有限元模型的建立 3
2.2.1溜板结构的CAD建模 3
2.2.2溜板结构有限元模型的建立 4
第三章 龙门加工中心溜板基础仿真 6
3.1静力学仿真 6
3.1.1静力分析的简介 6
3.1.2静力分析过程 6
3.2自由模态分析 8
3.2.1自由模态与约束模态 8
3.2.2自由模态分析过程 8
第四章 五轴龙门加工中心溜板的优化设计 11
4.1溜板CAD模型的优化 11
4.2优化前后性能的对比 11
结束语 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪论
1.1本课题研究的目的和意义
伴随着现代制造水平的不断发展，以及国家间，行业间的竞争不断加剧，装备制造业正飞快地发展着。五轴龙门加工中心是一种高档的数控机床，五轴联动技术配合百角头可以使得数控机床加工各种复杂形状的零件。随着航空航天 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
，航海等重工业的发展，对五轴龙门加工中心的要求也变得更为苛刻，要求其具有良好的动静态特性。根据许多相关实践的数据表明，机床的这些加工性能与其结构的静、动态特性有着很大的联系。通过优化机床的部件的结构来改善部件的动，静态性能，不仅可以提高机床的稳定性能、加工精度和工作效率，也可以提高机床的耐用性，可靠性。因此，对机床部件的静、动态特性的分析、学习及对部件结构的优化设计就愈加重要，它已经成为今天机床制造行业中，研发新产品的一个重要方面[1]。溜板在龙门加工中心上有着连接，支撑，定位的作用，是机床结构中十分重要的零件。它结构的动，静态特征和性能对机床整机的加工精度，加工效率和可靠性具有重要影响，是机床优化设计的重要部分。
本文采用的研究方法是有限元分析法。有限元分析法的基本思想是将结构离散，它就是将需要研究的一个连续体，简化为有限个，规则单元的离散体，通过对离散体的有限个，规则单元体的研究来确定研究对象性能的一种方法，它的基本思想与高等数学中微积分的思想有着许多相似之处。在实际设计中中可以解决许多理论分析无法解决的问题。有限元的发展历史已经有几十年，其技术已经很成熟，并且广泛地运用于机械领域。与传统的设计方法相比，采用有限元分析法，可以在很大程度上缩短设计周期，降低人力和物质成本，是目前比较主流的研究手段。
1.2本课题的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对有限元的研究比较早，在1960年，有限单元法这一名称第一次被提出。有限元分析法是伴随科学技术，计算机技术发展而迅速成长的现代分析法。在上个世纪，主要在连续体力学，航空，船舶制造中使用的比较多。随着集成电路，现代科学计算技术的不断发展，计算机分析的水平也在不断向前推进，有限元分析法的应用范围也越来越广泛。在国外，有限元分析法在机床上的应用已经十分的成熟。对一些大型机床，如龙门加工中心的结构研究，优化设计也十分活跃。例如，一些国外的企业采用一些专业的有限元分析软件对机床进行整体建模，并分析其整体结构特性，通过几种方案的比较，对机床结构进行优化设计。
1.2.2国内的研究现状
在建国初期，我国的经济相对落后，科技发展也受限。有限元分析技术发展的脚步慢于欧洲发达国家。改革开放以来，随着我国经济实力的不断提升，在装备制造业投入的研究与开发成本也在不断的增加，有限元分析计算有了快速的发展，有限元分析法在机床设计及优化领域应用越来越广泛，涉及优化的种类，难易程度也有所提高。目前国内在机床零部件结构分析，优化方面的研究主要包括：静力学仿真、模态分析、动力学分析等。如今有限元分析方法在机床零部件结构优化设计中的主要应用有[2]：
（1）静力学分析：对零部件施加具体的约束和载荷，然后进行仿真分析，这主要是为了得到机床零部件的应力和应变数据，通过实验数据查证零件的刚度和强度是否满足工作性质的需要，它是有限元分析在机床零部件结构设计优化中最基本并且最常用的分析种类。
（2）模态分析：为了研究机床零部件结构的固有频率和各种振型，频率等动态性能，这些动态特性数据为部件的优化提供依据。
1.3本课题的选题依据
随着经济全球化步伐的加快，各国之间的博弈，竞争更加激烈。一个国家装备制造业的能力对一个国家的综合实力有着尤为重要的影响。机床是制造之母，机床的设计，制造能力体现着一个国家的装备制造业的水平。五轴龙门加工中心是当今高档的数控机床，五轴联动可以让刀具实现复杂运动轨迹，能够加工各种复杂的几何模型，它在我国，航空航天，船舶等重工业领域有着很重要的地位，是我国如今大力发展的装备技术。溜板在五轴龙门加工中心是十分重要的部件，它主要起着连接横梁，支撑工件重力，定位刀具位置的作用。因此，溜板结构的动静态性能对龙门加工中心整体的稳定性、可靠性、高精度有着很大的影响。如今对数控控机床的性能要求更高，部分影响整体，部分零件的性能对机床整体的性能有着重要的影响，所以溜板的设计优化显得尤为重要，目前我国有限元法在机床设计优化中的应用处于起步阶段，但国外则已经处于成熟阶段，为了提高我国高档机床的研发能力，降低研究成本，提高我国装备制造业的综合实力，采用有限元分析法对溜板进行优化设计是很有必要的。
1.4论文的主要研究内容
本文主要研究的内容是为实现对五轴龙门加工中心溜板动，静态性能的改善，本文以国外主流的CAE分析软件Hyperworks软件包中的HyperMesh软件作为分析工具，根据分析的结果，改善溜板的结构，实现溜板结构的优化设计。Hyperworks系列软件中的HyperMesh在前期处理这方面的功能很强大，也十分专业。用该软件将建好的五轴龙门加工中心溜板的几何模型转化成有限元模型，并导入HyperMesh，进行几何处理和网格划分，建立好有限元模型后，根据实际的工况，设立载荷和约束，并进行静力学，自由模态分析。然后，以应力应变的最大值，六阶自由模态的频率为参考数据，对溜板的几何模型进行优化。将优化后的模型与优化前的模型进行对比，根据对比的结果，对溜板的结构提出合适的优化设计方案。
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