数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究
数控机床关键结构件的优化设计
数控机床关键结构件的优化设计摘要数控机床关键结构件的优化对于提高数控机床的设计效率、改进机床的加工质量具有重要的作用。
通过对关键结构件的优化，不仅有效的改善机床的设计效率和质量，更对提高机床本身的动态性能，更对机床的加工精度有促进作用。
本文对机床结构件的尺寸优化、几何优化、拓扑结构优化三种优化技术各自所具有的特点进行分析，提出一种将此三种方法相结合的综合优化设计策略，达到理想的优化效果。
关键词数控机床；结构件；优化；拓扑结构随着加工制造业的飞速发展，对数控机床的加工效率和动态性能的要求不断提高，机床设备的各个结构件，只有不断的进行优化设计，才能够保证其对不同角度、不同要求的技术指标满足，从而达到结构重量的减轻，提高结构刚度，提高产品加工精度的目的。
传统方法上对数控机床的结构设计多是建立在以往的设计经验基础之上，这种经验设计的机床无论在性能上还是在整体的结构上都难以满足技术标准的要求，效果十分不理想。
对于高新数控机床来说，只有通过优化设计，才能从根本上保证机床的动态性能，提高机床工作相应的速度，提高加工质量。
机床结构件的优化方法中，以截面尺寸优化方法和几何优化方法运用时间较长，另外结构拓扑的优化方法在实现设计的新颖高效上也有自身独特的优势。
如果将三种方法的各自优势之处综合加以运用，建立一种结构件的综合性优化设计方案，必能获得更好的优化设计效果。
1 数控机床关键结构件的截面优化与几何优化采用截面优化的方法对数控机床关键结构件进行优化设计已经发展了较长一段时间，方法的运用已经比较成熟，此种方法是建立在制定的拓扑结构和几何布局的基础之上的。
取结构件的截面面积或者取结构件的截面厚度作为优化设计的变量，取最轻的结构重量，或者最大的结构刚度，也可以选最好的性能参数作为优化设计的目标函数。
在进行结构件的截面优化的过程中，其质量、刚度的矩阵都能够采取变量乘以常数阵的形式，因此在计算约束梯度方面相对比较简单。
对于结构件的截面优化设计来说，只需只要变量的代换适当，加上采用合适的方法进行变量连接，就能够达到提高优化效率的效果。
数控立式车床立柱结构有限元分析
数控立式车床立柱结构有限元分析摘要：数控立式车床作为机床的一种，在行业内有着举足轻重的地位，在机械制造行业竞争日益激烈的状态下，机床的加工效率，加工精度和加工稳定性就显得尤为重要。
立柱是数控立式车床的重要零件，其结构形式对机床的整体刚性有着重要影响。
本文主要论述立式车床中的立柱，应用有限元及拓扑优化法做结构分析和对比，为其设计方案提供理论依据，从而提高整机静刚性及加工精度。
关键词：数控立式车床立柱有限元分析结构优化0引言数控立式车床立柱结构的设计是否合理直接影响着机床整机精度及刚性，目前市面上的数控立式车床常见的立柱形式主要有两种，分别是人字形立柱和一字形立柱[1]。
首先采用Solid works三维建模软件建立以上两种立柱的简化三维模型，通过Solid works软件的Simulation插件对立柱进行有限元分析及拓扑优化。
有限元分析及拓扑优化法就是在特定的设计空间，载荷，边界条件的前提下，寻求材料的最优分布，是目前行业最普遍采用的分析方法[2]。
采用以上方法对立柱进行网格划分，模拟立柱实际状态，从而分析两种立柱的静刚性，对比数据，得出结论。
1立柱三维模型建立立柱的结构和加强筋型较为复杂，采用Solid works软件进行三维模型建立，考虑到某些结构特征在分析时对结果影响不是很明显的前提下，可以尽量简化模型，但必要特征不应简化，由于圆角和螺纹孔对后续有限元分析的网格划分有较大影响，再创建模型时，尽量少用圆角。
如果必须加孔，可以用光孔代替螺纹孔，过多的圆角和螺纹孔大概率会加大分析时长，浪费时间，而且非常容易出现分析错误[3]。
为了确保数据结果的一致性，在建模时应该保证与三维实体模型的一致性，人字形立柱和一字型立柱的尺寸大小规格相同。
2静应力有限元分析模型建立有限元分析的一般步骤是确定材质，设置连接方式，受力分析，网格划分和运行结果。
立柱的材质一般选取灰铸铁HT300,是铸件常用的材料之一。
由于灰铸铁材料本身易于铸造，有良好的耐磨性和减震性，易于加工，而且价格相对便宜，性价比高，是机床大件的不二选择。
基于有限元分析的单立柱堆垛机结构优化与改进
文章编号:1001-2265(2010)09-0083-03收稿日期:2010-02-14*基金项目:国家自然科学基金(50875118);甘肃省科技重大专项(0801GKDA052)作者简介:郑玉巧(1977 ),甘肃庄浪人,兰州理工大学助理研究员,硕士,主要研究方向为成套设备及自动化,(E -m ail)734872926@qq .co m 。
基于有限元分析的单立柱堆垛机结构优化与改进*郑玉巧,黄建龙,赵荣珍,张淑珍(兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,兰州 730050)摘要:针对单立柱堆垛机结构受力复杂,刚度要求高等特点,文章运用有限元分析方法对单立柱堆垛机进行建模及静力学分析,并对单立柱堆垛机截面尺寸进行优化设计,使优化后立柱刚度提高40%左右,达到了在安全范围内降低了制造成本,提高了堆垛机的工作性能和使用寿命。
关键词:堆垛机;有限元方法;静力学分析;结构优化中图分类号:TP203 文献标识码:ABased on t he F i n ite Ele m ent Analysis of Single M ast Stack crane Struct ureOpti m ization and I m prove m entZ HENG Yu qiao ,HUANG Jian long ,Z HAO Rong zhen ,Z HANG Shu zhen(Key Laborato r y of D i g italM anufacturi n g Techno logy and App lication ,the M inistry o fEducati o n ,Lanzhou Un i v .of Tech .,Lanzhou 730050,China)Abst ract :A ccording to the characteristics o f sing le p illar stacker str uctural co m plex ity and high rig i d ity re quire m en,t In this paper ,the finite e le m ent m ethod (FE M )is app lied to analyze statics of si n g le m ast stack crane ,and the section size o f si n g l e m ast stack crane w ere opti m ally desi g ned .A fter the opti m iza ti o n ,Columns stiff n essw ere i n creased by 40%,Safety w ithin t h e production cost is atta i n ed and the w ork i n g perfor m ance and serv ice life o f stacker are i m proved .K ey w ords :si n g le m ast stack crane ;fi n ite ele m ent m ethod;statics ;struct u re opti m izati o n0 引言堆垛机是自动化立体仓库最重要的搬运设备,是实现物资流动的的载体,它在高层货架巷道中往返运行,将货物存入或取出,从而实现物资的流动。
大型数控车床床身结构的有限元分析
大型数控车床床身结构的有限元分析数控车床是一种高精度、高速、高自动化的机械设备。
其关键部分是床身结构，在高精度切削加工过程中承担着不小的负荷，因此对于其结构的优化设计至关重要。
本文将通过有限元分析对数控车床床身结构的强度和刚度进行优化设计。
一、有限元分析的基本概念有限元分析是求解强度、振动、热力学等问题的一种重要方法。
有限元方法将一个复杂的结构分割成有限个单元，每个单元可以看作是一个简单的结构，可以通过计算单元内各个点的力和位移，得到整个结构的力和位移的分布情况。
在有限元分析中，要首先进行预处理，包括建模、离散化和求解算法的选择等步骤。
然后进行求解过程，通过解出各个单元的刚度矩阵和外载荷矩阵，再根据边界条件组成总刚度矩阵和外载荷矩阵，最终求解结构中各点的位移和应力等参数。
最后进行后处理，对计算结果进行分析和优化。
二、建立数控车床床身的有限元模型在进行有限元分析之前，需要建立数控车床床身的有限元模型。
床身结构可以分为两部分：主床身和副床身。
主床身是床身的主要承载部分，唯一支撑和固定主轴箱和刀架；副床身是连接两端的连接体，起连接两端床身和承受工件切削力的作用。
我们分别对主床身和副床身进行静力学分析，求解其强度和刚度。
三、床身结构的静力学分析床身结构主要受到外部力荷载和自重荷载的作用。
基本的受力情况如下：1. 主轴箱在切削时产生的切向力和径向力。
2. 刀架的重量产生的自重荷载。
3. 工件在切削时产生的切向力和径向力。
由于车床的高速旋转的特殊性，其受力情况十分复杂，难以通过简单的解析法求解，因此需要运用有限元分析的方法。
四、床身结构的优化设计基于前面的有限元分析结果，我们可以得到数控车床床身的强度和刚度情况。
若发现床身结构在受到切削载荷时强度不足或刚度不够，我们可以对床身结构进行优化设计，包括优化结构形状，材料选型等方式。
例如，我们可以通过增加床身的内部加强支撑件、合理改变断面的形状、优化床身连接部位的刚性等方式，提高其整体刚度和强度。
成形铣齿机床立柱筋板结构优化设计_周自阳
3 立柱筋板结构比较
提出四种不同的立柱筋板结构并与原井字筋立柱结构对 比， 如图 2 所示。设定四周壁厚为 35mm， 筋板厚度 35mm。立柱 弹性模量 210GPa； 泊松 使用的材料为灰铸铁； 密度 7800kg/m3； 比 0.3。采用自由网格划分并对这五种不同筋板结构的立柱进行 为了使评估的结果直观简便， 提出以下性能指标要求[7]： （1 ） 由于立柱载荷一定， 刚度指标可以转化为变形指标; （2 ） 为了使实际变形数值更加明显， 不单独考虑横向与垂向 的变形， 而是考虑综合变形， 且只考虑竖直导轨上最大的节点位 移。 因此最终评价指标为： δmax 及 1/ （δmax · m ） δmax—滑块上节点最大静态位移； 式中： m—结构质量。 （4 ） 静力分析。
X1叟0.5 X6叟0.5 X2叟0.5 X7叟0.5 X3叟0.5 X8叟0.5 X4叟0.5 X9叟0.5 X5叟0.5 X10叟0.5
（3 ） 约束条件： σmax燮 ［σ］ ； εmax燮 ［ε］
X9Biblioteka X10No.11 Nov.2012
机械设计与制造
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约束条件为立柱在受静载的时候任意一点的最大变形量小 于材料所承受的极限变形量。立柱所使用的材料为灰铸铁， 采用 其抗拉强度为最大许用应力， 即 ［σ］ =σb； 根据弹性模量公式 E = σ， 可以得知 ［ε］ ＝σ ， 取 E=210GPa。所以， 约束条件可定为： ε E σmax燮200MPa； εmax燮0.095mm
原立柱模型 原立柱模型优化 新井字筋立柱 新井字筋立柱优化 一阶固有频率 119.85 122.48 132.81 135.25 二阶固有频率 三阶固有频率 140.47 229.83 136.88 228.35 141.04 232.79 138.14 234.65
立式车床立柱结构优化设计
设计与制造2021年第3期(第26卷,总第125期)·机械研究与应用立式车床立柱结构优化设计蒋国生(永州职业技术学院,湖南永州425000摘要:采用科学计算和实际经验相结合的方法,类比同类车床立柱的结构,并依据有限元分析的数据,对该立柱结构进行优化。
针对FWL-8式车床立柱提出了三个减重方案。
通过对立式车床立柱的有限元分析和结构优化,减轻了车床立柱的重量,节省了工程材料,立柱的强度刚度和固有频率等指标能满住实际工作的需要,为同类型机床的设计生产提供了更多的理论依据。
关键词:车床立柱;模态分析;有限元分析;结构优化中图分类号:TH12文献标志码:A文章编号:1007-4414(2021)03-0102-03Structural Design Optimization for Lathe ColumnJIANG Gou-sheng(Yongzhou Vocational College, Yongahou Hunan 425000, China)Abstract: In this paper, combining scientific computing with practical experience, along the similar lathe pillar structure andon the basis of the data of finite element analysis three measures are made. Through the finite element analysis and structuraoptimization of FWL-8 vertical lathe pi llar, it could reduce the weight of the lathe pillar and save the project materials, andthe strength, stiffness and natural frequency could meet the need of actual work. It could provide more theoretical basis for thesame the type of machine tool design and productionKey words: lathe column; modal analysis; finite element analysis; structural optimization1引言2立柱结构优化设计方法在立式车床和各组成局部中,立柱起着关键部件2.1参数化有限元模型的作用,并与整机性能有着密切的关系。
基于有限元分析的结构设计与可靠性优化研究
基于有限元分析的结构设计与可靠性优化研究现代工程设计中，在设计一款产品或建造一座建筑物时，结构设计的可行性和可靠性是其中最重要的要素之一。
有限元分析（FEA）是一项适用于各种工程领域的计算方法，它可以通过离散化区域并将其转化为有限个元来计算结构的性质。
这种技术可以帮助设计师和工程师设计更加复杂而可靠的结构。
本文将讨论基于有限元分析的结构设计和可靠性优化。
1. FEA的基本原理有限元分析是一种数值方法，它将连续体分成有限数量的元素和节点。
在这种方法中，元素可以是三角形、四边形或各种形状的多边形。
连续的物体模型被划分成这些离散化的元素，每个元素都有自己的材料属性和几何属性。
解析器将这些元素的属性计算出来，以获得整个模型的特性。
为了进行有限元分析，必须遵循以下步骤：（1）建立模型：建立一个三维物体模型，并将其分解成各种元素。
（2）网格划分：使用结构网格将模型划分成有限数量的元素。
（3）材料属性：指定每种元素的材料属性，如弹性模量和泊松比等。
（4）约束条件：在节点处设置约束条件来模拟真实的情况，如禁止运动、运动方向、受力方向等。
（5）加载条件：在节点处设置加载条件来模拟外来力的作用，如重力、载荷等。
（6）求解：计算出每个元素中的物理量，并将结果汇总到整个模型中。
2. FEA在结构设计中的作用结构设计是制造新产品或建造新建筑时最重要的步骤之一。
因为一个好的结构设计可以确保产品或建筑物在使用过程中具有足够的强度和稳定性，这从而可以达到产品或建筑的预期寿命，为客户提供更好的体验。
有限元分析可以为设计师和工程师提供更准确的数据和模型，以便更好地了解哪些元素需要进行加强或调整，来确保产品或建筑的结构可行性和可靠性。
例如，在汽车制造中，有限元分析可以帮助设计师和工程师确定车身的强度、抗冲击能力和振动性能等特性。
在建筑设计中，FEA可以用于模拟不同承重限制下的各种场景。
例如，工作室可能希望进行模拟，以确定如何使高层建筑的地震性能最佳。
基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计
基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计概述数控车床是一种用来加工各种金属和非金属材料的机床。
通过对其结构进行有限元分析，并进行优化设计，可以有效提升其性能和可靠性。
本文将基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行有限元分析及优化设计。
有限元分析有限元分析是一种数值计算方法，可以通过将结构离散为有限数量的单元，通过求解单元间的力学关系，得到整个结构的应力、应变等信息。
在对CK6136数控车床进行有限元分析时，可以按照以下步骤进行：1.建立模型：使用CAD软件建立CK6136数控车床的三维模型，并导入ANSYS中进行后续分析。
2.确定边界条件：根据实际情况，确定数控车床模型的边界条件，包括约束边界和荷载边界。
3.网格划分：将数控车床模型进行网格划分，将其离散为有限数量的单元，以便进行求解。
4.材料特性：对数控车床模型中的不同部件，设置相应的材料特性，包括弹性模量、泊松比等参数。
5.求解和分析：通过ANSYS进行求解，得到数控车床的应力、应变分布等结果，并进行分析。
优化设计在进行有限元分析的基础上，可以对CK6136数控车床进行优化设计，以提升其性能和可靠性。
优化设计的具体步骤如下：1.设计变量确定：根据数控车床的具体特点和设计要求，确定需要进行优化的设计变量，如刀架结构、主轴轴承等。
2.设计空间确定：根据设计变量的范围和约束条件，确定设计空间。
3.目标函数确定：根据优化目标，确定相应的目标函数，如最小化应力、最大化刚度等。
4.约束条件确定：根据设计要求和约束条件，确定相应的约束条件，如最大应力不超过其中一临界值等。
5.优化算法选择：选择合适的优化算法进行求解，如遗传算法、粒子群算法等。
6.优化求解：通过调整设计变量的取值，使用选定的优化算法进行求解，得到最优解。
7.结果分析：对优化结果进行分析，包括对最优解的解释和结构性能的评估。
总结本文基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行了有限元分析及优化设计。