基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究_张学玲

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1、DOI：10.16579/j.issn1001.9569.2005.03017基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究RESEARCHONSTRUCTURALOPTIMIZATIONMETHODINDESIGNOFNCMACHINETOOLBEDBASEDONDYNAMICANALYSISBYFEM张学玲收到初收到修改稿。国家自然科学基金资助项目（)张学玲，女1970年11月生，山西文水人汉族。讲师，博士研究生,研究方向为机械可适应性设计及动态设计技术。徐燕申钟伟泓(天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室，天津300C72)ZHANGXueLin

2、gXUYanShenZHONGWeiHong(KeyLaboratoryforAdvanceCeramicsProcessingandMachiningTechnologyofMinistryofEducation,TianjinUniversity^TianjinChina)摘要运用结构动态设计原理和有限元法(finiteelementmethod)的变量化分析技术，提出一种数控机床床身结构的动态设计方法和流程。结构的固有频率越高，其动、静刚度越好。以一立式加工中心床身为例，先提取床身的典型元结构和框架结构对其进行优化，在此基础上以床身结构固有频率为优化目标，

3、以元结构和框架结构优化结果为依据，提出该床身结构若干改进方案，并对各方案进行比较分析。文中提出的方法可推广到其他结构的动态设计中。关键词有限元法变量化动态设计结构优化固有频率中图分类号TG502TH122TB115AbstractAdesignmet^iodandit5sproc:essofbedstructureofNCCnumericalcontrol)machinetotilareprop^^sedbasedondynam-icdesignprincipleandvariationalanalysistechnologybyfiniteelementmet

4、hod(FEM).Thehigherisnaturalfrequency(fstructurethebetterarestaticanddynamicstructuralstiffness.W’ithbedfvertkalmachinecenter(MC)asanexample，typicalunitstructures(US)andbaseframeoflathebedarepicked-upandoptimized.Thenseveralimprovedbedschemesarepresentedandanalyzedbyccimpari-sonusingn

5、aturalfrequencyofstructureastargetanddependingcsioptimizedresultsofunitstructuresandbasefraime.Themethodcanbeappliedtodynamicdesignofotherstructures.KeywordsFiniteelementmethod；Va^aticnalDynamicdesignStructuraloptimizationNaturalfrequencyCorrespondingauthcr：ZHANGXueLing.E-mail：zhangx

6、ueling@eyou.com.Tel%86-22-274^1624,Fax%-+86-22-TheprojectsipportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.).Manuscriptreceivedinrevisedform.[M]、K]分别为质量和刚度矩阵;;f为外激励矩阵这里为零矩阵;〇D分别为物理坐标下的位移和加速度矩阵。式(1)的特征方程为

7、[K]-c〇2[M]1=0(2)解此方程得w的m个互异正根w。,.（=1,2…，m)并按升序排序，0<%<〇^<〜<出0,„，第i阶固有圆频率W0

8、i=P或固有频率f0i=士(3)mi2nisjmi各阶固有频率f0i均与成正比，f0i大，说明单位质量的刚度高，可作为结构动态设计的一个优化目标。一般机械结构系统动态优化准则为：（1)提高各阶固有频率；（2)各阶固有频率尽量均布；（3)避免固1引言工作机械如机床和通用机械等复杂机械系统，常受振动、噪声等问题的困扰，提高结构动态特性，是结构优化的主要任务。机械结构的模块化设计以有限元分析为核心，动态结构优化为基础，通过结构的优化，不仅使零部件的静力学性能得到改善，还使结构的抗振特性得到提高，节省材料，获得最佳的结构尺寸。机床床身结构是机床重要的基础件，其动态特性影

9、响到整个机床的工作性能，