基于ANSYS机床床身结构有限元分析设计
摘要
机床床身在其应用设备中是非常重要的部件，它的强度和刚度会直接影响到整个设备的工作性能。本文首先描述了本课题的实验目的及课题来源，然后建立了床身的几何模型并对其进行受力分析，最后使用ANSYS软件对床身进行建模分析，直观的观察床身的变形情况，并详细介绍了使用ANSYS对床身的建模处理方法与过程。本文主要对于ANSYS中三维建模后导入到ANSYS经典和ANSYS Workbench中分析进行操作，比较互相之间的区别，并总结合适的场合，以适应在不同场合快速、准确、灵活运用ANSYS的目的。床身在使用过程中承受静压力和部分冲击载荷，从而引起变形，而随着时间的推移和累积这种压缩变形和弯曲变形也会逐渐积累变大，若不及时检修极有可能会影响整个设备的正常使用，进而影响整个任务的完成，因此提前对床身受力分析及变形进行仿真与检验，从而保证床身工作可靠性是极为重要的。而如何较准确地得到静压作用下床身的应力、变形的大小及分布，对于床身的设计、改进具有十分重要的作用。
关键词：机床床身 ANSYS有限元分析
Abstract
Machine tool bed is a very important component in its application equipment. Its strength and rigidity will directly affect the performance of the whole equipment. In this paper, the purpose of the experiment and the source of the subject are described first, then the geometric model of the bed is established and the force analysis is carried out. Finally, the ANSYS software is used to model the bed, to observe the deformation of the bed directly, and to introduce the method and process of the modeling and processing of the bed by using ANSYS in detail. This paper mainly introduces the analysis of ANSYS classic and ANSYS Workbench after 3D modeling in ANSYS, compares the differences between each other, and sums up the appropriate occasions to adapt to the purpose of fast, accurate and flexible use of ANSYS on different occasions. The bed is subjected to static pressure and part of the impact load in the process of use, which causes deformation, and the compression deformation and bending deformation will gradually accumulate with time and accumulation. If not timely maintenance, it may affect the normal use of the whole equipment, and then effect the completion of the whole task, so it is ahead of time. It is very important to ensure the working reliability of the lathe bed by analyzing the force and analyzing the deformation of the lathe bed. How to obtain the stress and deformation size and distribution of the bed under static pressure accurately is very important for the design and improvement of the bed.
Key words: ANSYS finite element analysis of machine tool bed
目录
1 绪论 2
1.1课题研究的背景及意义 2
1.2结构优化设计研究历史与现状 2
1.3课题的研究内容与工作 6
1.4本章小结 7
2 优化设计理论基础 8
2.1优化数学模型的建立与求解 8
2.2 优化设计在实际工程中的应用 10
2.3优化软件的应用与响应面法介绍 10
2.4 响应面法介绍 11
2.5 本章小结 12
3、床身几何模型的建立及受力分析 13
4 基于ANSYS Workbench的机床床身有限元分析 16
4.1 床身设计变量的预处理 16
4.2 修改机床床身材料 17
4.3 床身静、动力学分析与目标函数的预处理 18
4.4本章小节 24
5 机床床身的优化设计 25
5.1床身优化设计平台 25
5.2设计变量与目标函数的获得 26
5.3 获取设计变量的响应 26
5.4 单一设计变量对目标函数的影响 28
5.5 优化设计的结果 31
5.6 本章小结 33
6 结论与展望 35
6.1 主要工作 35
6.2主要结论 35
6.3存在的问题及展望 36
参考文献 37
1 绪论
1.1课题研究的背景及意义
目前，国内数控机床制造企业大多处于“粗放型”阶段，国产数控机床在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平差距仍然很大，虽然需求不断增长，但机床产业的处境仍处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档仍靠进口的尴尬局面，难以突破技术瓶颈。机床工业是现代工业特别是现代制造业的基础，战略地位突出，从根本上改变目前低效、落后的状态，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。
机械优化设计是近年来发展起来的一门新的学科，从60年代开始，由于最优化技术和计算机技术在设计领域的应用，为工程设计提供了一种重要的科学设计方法。该设计方法是在给定的载荷或环境条件下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象，选取设计变量，建立目标函数和约束条件，并使目标函数获得最优值一种现代设计方法，目前机械优化设计己广泛应用于航天航空，机床和汽车制造等各部门。
本文通过对某型号数控机床在筋板设计上进行优化，使床身内部筋板厚度更加合理，减轻机床床身质量，减少了铸铁原材料的使用，节约了生产成本，同时提高了机床动静态性能，为同类型机床的设计生产提供了更多的理论依据。对于设计水平的提高和优化设计的推广应用，具有重要的实际价值和参考意义。
1.2结构优化设计研究历史与现状
1.2.1优化设计概念的提出
优化设计 (Optimal Design)概念的提出己有很长的历史，直到二十世纪70年代随着计算机技术的发展它才真正成为一门实用技术，并且在优化策略和算法上仍在不断发展。它的基本思想是将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助于计算机的高速运算和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一切可行的方案中，按照预定的目标，自动寻找最优设计方案的一种设计方法。优化设计同时又是一门新兴学科，通过计算机的数值计算，能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案，使期望的设计指标达到最优，它可以成功地解、决解析其它方法难以解决的复杂问题，优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计是以建立数学模型进行设计的，优化设计引用了一些新的概念和术语，如前所述的设计变量、目标函数、约束条件等。优化设计改变了传统的设计方式。传统设计方法是被动地重复分析产品的性能，而不是主动设计产品的参数。作为一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案，并从大量的可行设计方案中找出一种最优化的设计方案，从而实现最优化的设计。
优化设计可以满足多方面的性能要求，产品要求总体结构尺寸小，传动效率高，生产成本低等，这些要求用传统设计方法设计是无法解决的。实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效设计方法。有助于考察设计结果，从而可以提高机械产品的设计质量[1]。
