基于广义模块化设计的机械结构静、动态特性分析及优化设计

机床产品快速设计技术的发展和应用,大大缩短了机床新产品开发的周期,有效适应市场。模块化设计是快速响应设计的核心,基于模块化结构的大型复杂机械结构的动态特性,决定了产品的质量。我们期望在设计阶段即能了解未来产品的各种静、动态性能,并根据要求对结构进行优化改进,避免产品样机的反复试制、测试及改进过程,为此,大型复杂机床结构的快速、个性化设计及其动、静态特性优化成为设计阶段的关键。 本文主要包括以下内容: 综述了数控机床结构模块化设计和动态设计相关研究领域的发展状况,阐述课题提出的目的和意义,明确了本文研究的主要内容; 以龙门式加工中心为例,分析了数控机床的模块化特性,及各部件的结构特点;针对大、中型数控机床主机结构设计中出现的新问题,提出了数控机床产品广义模块化设计的概念和原理,以及广义模块化产品设计的流程; 在上述内容基础上,建立了机械结构动态设计系统框架,研究了系统中关键技术和问题,提出了模块CAD模型与有限元模型的数据交换方法,实现了二者间数据顺利交换; 阐述了机械结构的变量化设计技术,研究了基于有限元方法的结构变量化准静态设计和动态设计原理、内容。通过基于元结构和框架结构优化的方法,成功地对数控机床床身和滑座等大件结构进行变量化静、动态优化设计,证明变量化优化结构参数的可行性和高效性; 为识别结合面参数,总结分析了机床结合面的类型,并提出了各自的有限元模型;阐述了结合面参数识别的几种方法,研究了结合面参数对整机动态特性的影响;以实例说明实验与有限元结合的结合面参数识别方法; 基于结构的载荷类型和优化目标等不同,分别给出了结构优化的数学模型;对同一结构分别以不同目标进行优化,然后综合考虑不同结果,可最终取得相对合理的结构;提出人机结合进行复杂机械结构优化流程,并总结了结构优化经验知识; 将模糊理论引入结构优化,使优化结果更合理;并用模糊评价方法对机床结构多种优化方案进行模糊决策。