机床结构件的分步拓扑优化设计

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1、天津大学硕士学位论文机床结构件的分步拓扑优化设计StepwiseTopologyOptimizationDesignoftheStructureofMachineTool学科专业：机械工程研究生：王珂指导教师：赵兴玉副教授企业教师：聂应新正高工天津大学机械工程学院2017年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

2、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要目前机床结构件的设计主要依靠经验公式和同类型机床类比的方法，导致设计结构过于传统，材料利用

3、率低，而且设计周期较长，难以满足市场产品更新速度快的要求，因此寻求一种高效的机床结构设计方法具有重要意义。为此，本文以JIG630卧式加工中心立柱、溜板等基础结构件为研究对象，开展了机床“框中框”结构拓扑优化设计的相关工作，提高机床的静动态性能，同时实现轻量化。本文主要研究内容如下：提出分步拓扑优化方法，并与尺寸优化技术结合，形成一套集成的机床结构优化设计方法。研究该方法的相关理论基础，建立拓扑优化数学模型；对加工中心关键结构件立柱、溜板进行了力学分析，介绍了拓扑优化前有限元分析前处理工作。完成JIG630卧式加工中心立柱、溜板和主

4、轴箱的结构分步拓扑优化设计，提高了结构件的静动态性能，同时实现轻量化。首先分析结构件的功能约束，建立构件的拓扑优化初始模型，并完成初始优化模型的有限元分析；利用TOSCA软件进行目标函数和约束的设置，完成第一步外轮廓拓扑优化设计；在此基础上，约束模型外轮廓，实现内部结构的拓扑优化设计，完成模型重建。对拓扑优化模型进行参数化，利用响应面法实现尺寸优化，并将最终优化设计结构与传统设计进行仿真分析对比校验。设计了立柱1:2比率的等比缩小实验样件模型和静刚度、动特性测试实验。在实验测量结果的基础上对其静刚度、前三阶固有频率和模态进行了分析计

5、算，并将有限元理论分析结果与实测结果进行对比，简要分析了两种结果存在差距的原因，验证了立柱变截面设计结构静动态性能的提高，证明分步拓扑优化设计方法的可行性。关键词：卧式加工中心，分步拓扑优化，轻量化，静动态性能，尺寸优化IABSTRACTCurrently,thestructuredesignofmachinetooldependsontheempiricalformulaandanalogyofthesametypeofmachinetool,leadingtotraditionalofthedesignstructure,low

6、materialutilizationandlongdesigncycle.Itisdifficulttomeetthemarketrequirementsofproductupdatespeed,soseekinganeffectivedesignmethodofmachinetoolstructureisofgreatsignificance.Therefore,inthispaper,takingthebasiccomponentsofJIG630horizontalmachiningcentersuchascolumn,th

7、eslideplateandthespindleboxastheresearchobject,carryouttheworkrelatedtotopologyoptimizationof“bob-in-box”structure,soastoimprovethestaticanddynamicperformanceofmachinetoolandrealizelightweight.Themaincontentsofthispaperareasfollows:Stepwisetopologyoptimizationmethodisp

8、utforwardandcombiningthemethodwiththedimensionoptimizationtechnologytoformasetofintegratedoptimizationdesignmethodfor