江苏科技大学毕业设计（论文）开题报告概述表
学生姓名 田林东 班级学号 0940206319 指导教师 李忠国
毕业设计(论文)题目 基于ansys的机床车身机构优化设计
选
题
的
目
的
和
意
义 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需求频繁改型，特别是在宇航、军事、造船等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通车床或专用化程度高的自动化车床已不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型车床——数控车床应运而生。这种新型车床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后数控车床的发展方向。因此我们研究分析CA6140机床可以有一下意义：
1.充分了解CA6140的工作原理，建立三维模型。意义：加深对机械设计、制造及工艺的理解，锻炼理论联系实际能力。
2.更新标注。意义：加深对公差与配合的理解及实际应用。
3.优化设计。意义：加深对机械优化设计的理解和实际应用能力。
4.建立三维模型有利于对操作人员进行培训以及课堂教学需要。
国
内
外
研
究
现
状
及
存
在
的
问
题
（文献综
述） 1. 国内的研究现状
目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰富，涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等。目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面:
1) 静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限元在机床设计中最基本、最常用的分析类型。
2) 模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷
3) 谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周期载荷和非周期载荷的动态响应。
4) 热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及及机床内部的热应力。
5) 接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广西大学陈文锋、毛汉领“MXBS一1320型高速外圆磨床动态性能的试验研究”[1]一文中，对MXBs一1320型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。
对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆圆磨床MZ120A床身结构进行有限元分析[2]，得到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。张海伟，利用动态实验分析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进行了分析[3]，通过实验测试数据与理论计算结果对比分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环节，并进行了结构优化。优化后分析结果证明，机床结构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运用工程软件ANS丫S的优化设计模块，根据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求，在参数化建模及结构应力分析基础上，对XK7，3数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标进行优化设计[4]。通过优化设计及分析，主轴箱结构重量减轻了23.2%，三个方向上刚度和应力得到了合理的分布。
东南大学机械工程系，利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人，在“精密机床床身结构参数的优化设计”〔5〕一文中，在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用ANSYS有限元软件提供的APDL参数化设计语言和优化设计方法，以床身的肋板布置和肋板厚度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大大提高了床身的动态性能，而且节省了材料，降低了生产成本。
2．国外的研究现状
国外的机床结构优化领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方面都有不少研究。美国机械工程师学会的“optimalsynthesisofeomplinatmeehnaismsusingsubdivisionnadcomnlereialFEA”[6]一文中，利用有限元软件分析机械结构，提出全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。国外机床结构优化设计存在以下特点:
1) 设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计，到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验等。床身结构设计的各个阶段均有结构分析的参与。床身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的床身结构设计方案，基本就是定型方案。
2) 结构优化的思想被用于设计的各个阶段。
3) 大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计成本，缩短设计周期。
随着工业的发展，对车床的要求越来越高。在车床的设计中，需要对其组成部件进行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的20%~30%，因此对支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的静刚度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，有必要进行分析计算。
20世纪60年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐步应用于工程实践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并在此基础上出现了大量的CAE软件(如美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件；MSC的asrtna和MS.CPartna等)，从而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提高了机床结构设计的效率和质量。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力学模型己经成为机床理论建模普遍采用的方法。
主
要
研
究
内
容 研究内容：
（1）课题调查，收集资料，学习和研究。
（2）对现有资料进行深入研究，熟悉CA6140主轴箱的工作原理。
（3）进行图纸绘制，三维造型，装配运动学仿真。
（4）根据参考文献，进行优化设计。
（5）整理计算资料，进行毕业设计说明书写作。
零件的有关数据采集和零件间相互关系的确定，根据现有资料，运用Proe对零部件进行三维建模。采用自上而下的方法，完成由零件到部件最终到装配的工作。根据优化目标进行优化。
研
究
方
法
、
步
骤
和
措
施
等 综合现有的结构优化设计研究方法，可以看出有限元方法是计算床身等机床结构件各项动静态指标的重要方法，任何优化方法都最终要靠有限元计算去验证。
拓扑优化方法解决平面结构优化问题己经相当成熟。通过初步分析床身的综合受力情况发现，床身受力主要分解为平行于坐标平面的若干力，而床身主体中大部分采用板与加强肋结构。针对这一情况可以将床身分解为若干个板、加强肋与平面力系的组合，应用成熟的平面拓扑优化方法进行分析，最终指导整体结构的改进。结构系统设计灵敏度分析，是解决结构优化设计的新兴方法，它依托于有限元计算和多参数、多约束、单目标优化。该方法比较依赖于计算机的性能，这里将通过建立不同的单参数灵敏度分析，分别计算各参数对床身性能的影响，进而缩小最优解所在的区域，最终寻得最优解。拟定选取的参数包括板厚度、加强肋截面形状、加强肋倾斜角度等。
本文采用科学计算和实际经验相结合的方法。类比同类车床床身的结构，并依据有限元分析的数据，对该床身结构进行优化。
针对CA614O床身的具体特征制定了如下具体解决步骤:
(1)首先在Pro甩中建立CA6140床身实体模型，熟悉床身零件以及与其相接触的
各零件的结构形式。
(2)对CA6140床身进行受力分析，建立计算模型。主要分析床鞍、床头、床腿 与床身之间的作用力。通过《制造与验收技术要求》计算各点力的大小和方向。
(3)根据受力分析情况，对CA6140床身进行加载，在ANSYS和Pro肥中分别进
行计算，对于静态分析以最大位移最大应力作为约束条件，对于模态分析以各阶固有频率作为约束条件，以床身重量作为目标函数。
(4)根据床身应力分布，用Pro/E对床身中的关键尺寸进行灵敏度计算，确定减重量。对应力薄弱环节，同样进行加强方向的灵敏度计算，确定必要的加强重量。
(5)对修改后的模型进行全面校核，包括静态应变最大值和动态固有频率等指标，
比较减重前后的变化。
(6)根据实际工况及设计要求，给出最终方案。
参
考
文
献 [1] 孟玉海 ，张卫国. CA6140 车床手柄座零件夹具设计及有限元分析[J]. 煤矿机械,2012,33(01)：2
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