BX0型镗铣床关键件的静动态性能分析与优化

论文摘要

在石化行业,大型压力容器的法兰面密封槽在线修复处理难度极大,而离线修复时,投入的人力、物力又太大,停产时间长,对工业生产影响大。BX0型镗铣床就是针对这一问题进行研究而专门设计的在线修复数控机床。论文以BX0型镗铣床为研究对象,利用有限元方法分析论证了机床关键零部件的强度、刚度、振动及结构优化等问题,主要内容如下:(1)对机床关键件(卡环、转臂、刀架)进行结构分析,在保证反映实际结构力学性能的前提下,对三维模型进行一定的简化处理,利用Pro/E建立参数化实体模型,并通过专用接口导入ANSYS中,以建立关键件的有限元模型,较好解决了复杂模型在ANSYS中直接建模不便的问题,真正实现了CAD/CAE的无缝连接。(2)针对卡环实际工作中常见的竖直和水平工况进行了静态性能分析,得到其在不同工况下的应力、变形云图及其应力、变形最大的危险位置,以此初步判断该零件完全能够支撑整机正常工作。(3)对转臂进行模态分析和谐响应分析,以确定转臂在约束条件下的固有频率和振型,分析其动力响应位移,以此来评价转臂的动态特性,为其结构改进提供参考依据。在此基础上进行了拓扑优化设计,有效减轻了转臂的质量,并提高了其有效刚度。(4)基于螺栓连接结合部、导轨结合部的理论建模原理和方法,通过弹簧—阻尼单元建立动力学模型,对刀架中涉及的结合部进行了模拟分析,获得了组合结构的动态性能参数。(5)对卡环进行灵敏度分析,筛选出重要参数并确定各参数的合理变化范围,最后以重要参数为设计变量,以应力值和变形量为约束条件,以卡环总体积为目标,进行轻量化设计,减重效果显著。本文所开展的工作,有效降低了机床的总体质量,提高了机床的有效刚度,验证了机床具有较好的抗振性能,对提高BX0型镗铣床的静动态性能有直接的指导作用,修复较大直径的法兰时,可采用较大的切削动力,以提高机床的加工效率,缩短修复加工时间,为工厂争取最大的经济效益和社会效益。同时,本文的研究对同类机床关键件的改进设计有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 机床关键件结构性能研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 BX0 型镗铣床简介
• 1.4 课题的研究方法和内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 本文的主要研究内容
• 第2章 机床结构静动态性能分析基础
• 2.1 结构静态性能分析
• 2.1.1 静态性能研究内容
• 2.1.2 静态性能研究方法
• 2.1.3 静态性能分析的有限元法
• 2.2 结构动态性能分析
• 2.2.1 动态性能研究内容
• 2.2.2 动态性能研究方法
• 2.2.3 动态性能分析的有限元法
• 2.3 建模和分析软件介绍
• 2.3.1 Pro/ENGINEER Wildfire 概述
• 2.3.2 ANSYS 概述
• 2.4 本章小节
• 第3章 机床关键件的静动态性能分析
• 3.1 静动态性能分析的有限元实现
• 3.1.1 有限元分析的基本过程
• 3.1.2 ANSYS 有限元分析实现
• 3.2 机床关键件的建模
• 3.2.1 实体模型的建立
• 3.2.2 有限元模型的建立
• 3.3 机床卡环的静力分析
• 3.3.1 卡环有限元建模
• 3.3.2 卡环工况分析
• 3.3.3 定义边界条件并施加载荷
• 3.3.4 求解并分析结果
• 3.4 机床转臂的动态分析
• 3.4.1 转臂有限元建模
• 3.4.2 转臂的模态分析
• 3.4.3 转臂的谐响应分析
• 3.5 本章小节
• 第4章 机床关键件结合部的动态性能分析
• 4.1 机床结合部概述
• 4.2 机床结合部的等效动力学模型
• 4.2.1 螺栓结合部的等效动力学模型
• 4.2.2 导轨结合部的等效动力学模型
• 4.3 机床刀架的模态分析
• 4.3.1 刀架的有限元建模
• 4.3.2 定义边界条件并求解
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 本章小节
• 第5章 机床关键件的优化设计
• 5.1 优化设计概述
• 5.1.1 优化设计的概念及方法
• 5.1.2 优化设计的数学模型
• 5.2 卡环的轻量化设计
• 5.2.1 基于Pro/MECHANICA 的轻量化设计
• 5.2.2 卡环重要参数的灵敏度分析
• 5.2.3 优化结果及分析
• 5.3 转臂的拓扑优化设计
• 5.3.1 拓扑优化设计概述
• 5.3.2 基于ANSYS 的拓扑优化
• 5.3.3 优化结果及分析
• 5.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录