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基于有限元的组合机床多轴箱结构分析与优化

作　者: 俞树斌
导　师: 李万祥
学　校: 兰州交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 多轴箱箱体有限元分析 ANSYS 结构分析优化设计
分类号: TG65
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

多轴箱作为组合机床的一个重要专用部件，其工作可靠性及承载能力对组合机床的加工精度、稳定性及经济性等方面有着直接的影响。随着我国工业化进程的加快，对机床也提出了更高的要求，在能够保证生产效率以及适应越来越高的加工性能的前提下，再降低机床自身成本和重量，已经成为机床行业发展的一种必然趋势。机床是制造机器的机器，因此对机床而言，需要具备准确的精度，适应生产的加工工艺，在生产过程中具备良好的静态和动态特性。如果设计人员在设计初期对机床进行建模、计算以及仿真，及时发现设计存在的问题和错误的地方，对于设计的产品进行及时修正，就能使机床整体的设计更加趋于完善。本文对加工某汽车变速箱右侧螺纹底孔的组合机床右多轴箱结构进行分析研究，主要研究内容包括以下几个部分：1.通过PRO/E软件对多轴箱箱体的结构进行实体建模，并将建立好的模型导入ANSYS软件进行有限元静力学分析，根据获取的位移云图和应力云图，对箱体结构的强度和刚度进行了考察。2.通过ANSYS的BlockLanczos方法计算多轴箱箱体模型的模态，获得了箱体结构的前十阶固有频率及振型，并通过相关分析给出了合理评价。3.通过对多轴箱箱体结构模型进行谐响应分析，获取了其在间歇切削力的作用下所产生的位移频率曲线，并通过该曲线分析研究了箱体结构的持续动力特性。4.根据以上分析所得出的结果，并根据多轴箱箱体在实际应用中所要求达到的静动态特性，通过HYPERWORKS软件对箱体各处的尺寸和质量进行了优化设计。通过以上的研究分析，能够对多轴箱箱体结构的特性有更多科学的了解，可以为多轴箱箱体在结构以及性能方面的设计提供更有价值的参考，不仅能够有效的节省成本、缩短设计周期，还能够提高箱体的生产质量。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  l.1 论文背景及研究的意义  10-11
    l.1.1 论文背景  10-11
    1.1.2 论文研究意义  11
  1.2 国内外研究现状  11-12
    1.2.1 国外研究现状  11-12
    1.2.2 国内研究现状  12
  1.3 建模软件介绍  12-14
    1.3.1 Pro/ENGINEER 软件概述  12-13
    1.3.2 ANSYS软件概述  13
    1.3.3 HyperWorks 软件概述  13-14
  1.4 论文研究的主要目的与内容  14-15
    1.4.1 论文研究的目的  14
    1.4.2 论文研究的主要内容  14-15
  1.5 本章小结  15-16
2 组合机床多轴箱的三维实体建模  16-24
  2.1 CAD的发展与特点  16-17
    2.1.1 CAD 的发展  16
    2.1.2 CAD 的特点  16-17
  2.2 三维几何造型方法  17-18
  2.3 Pro/E软件三维造型概述  18-20
    2.3.1 Pro/E三维软件参数化设计  18-19
    2.3.2 Pro/E软件实体特征的建立  19-20
  2.4 组合机床  20-23
    2.4.1 结构特点  20
    2.4.2 对多轴箱箱体进行结构分析并建模  20-23
  2.5 本章小结  23-24
3 组合机床多轴箱的有限元静力学分析  24-37
  3.1 引言  24
  3.2 静力分析的有限元方法  24-27
    3.2.1 有限元法的优点  24-25
    3.2.2 有限单元法的基本步骤  25-27
  3.3 对箱体模型进行简化假设  27-28
  3.4 将几何模型从Pro/E导入ANSYS  28
  3.5 定义单元属性  28-30
  3.6 划分网格  30-31
  3.7 施加边界条件和载荷  31-32
    3.7.1 切削力的计算  31
    3.7.2 施加边界条件和载荷  31-32
  3.8 求解计算与分析结果  32-36
    3.8.1 刚度分析  32-35
    3.8.2 强度分析  35-36
  3.9 本章小结  36-37
4 组合机床多轴箱有限元模态分析  37-48
  4.1 引言  37
  4.2 模态分析理论基础  37-38
  4.3 模态分析的基本步骤  38-39
  4.4 多轴箱结构的有限元模态分析  39-40
    4.4.1 建立模型  39
    4.4.2 设置分析类型和选项  39
    4.4.3 施加动力分析载荷并求解  39-40
    4.4.4 查看结果  40
  4.5 模态计算结果  40-46
  4.6 本章小结  46-48
5 组合机床多轴箱有限元谐响应分析  48-52
  5.1 引言  48
  5.2 谐响应分析理论基础  48
  5.3 谐响应分析的基本步骤  48-50
  5.4 多轴箱结构的谐响应分析  50-51
    5.4.1 建立模型  50
    5.4.2 选择分析类型及其选项  50
    5.4.3 施加载荷约束及求解  50-51
    5.4.4 谐响应计算结果分析  51
  5.5 本章小结  51-52
6 组合机床多轴箱体拓扑优化设计  52-59
  6.1 引言  52
  6.2 优化设计基础概念  52-53
  6.3 优化设计理论基础  53-54
  6.4 优化设计中的有限元方法  54-55
    6.4.1 概述45  54
    6.4.2 Optistruct结构优化方法简介  54-55
  6.5 多轴箱结构的优化设计  55-58
    6.5.1 多轴箱的参数化建模  55-56
    6.5.2 参数设置及求解  56-57
    6.5.3 查看优化结果  57
    6.5.4 最终设计方案及验证  57-58
  6.6 本章小结  58-59
结论  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-65
攻读学位期间的研究成果  65

基于有限元的组合机床多轴箱结构分析与优化

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