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数控机床床身尺寸优化设计-毕业设计说明书.doc
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数控机床床身尺寸优化设计-毕业设计说明书.doc
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数控机床床身尺寸优化设计
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
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数控机床床身尺寸优化设计
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]
。
优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实
质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,
建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标
与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之
间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目
标函数的极值或最优值的问题
[1]
。结构优化设计的主要流程如下图 1.1 所示
第 2 页 共 40 页
数控机床床身尺寸优化设计
图 1.1 优化设计过程
1.2.2 结构优化设计研究的历史与现状
1960 年,L.A.schmit 首先提出甩数学规划方法求解多种载荷情况下弹性结
构的优化设计问题,并将结构优化设计在诸如应力、位移、频率等性态函数约
束下的“n’,为设计空间求解目标函数的数学极值问题。1986 年以后,Venkayya
和 Gellatlv 又研究发展了结构优化的最佳性准则法,导出了应力、位移、频率、
屈曲、颤振等约束条件下结构优化设计的最佳准则,编制了基于有限元分析和
相应准则的大型优化程序,如 OPTIM、ASOP、FASTOP、OPTEOMP、NESAP
等。20 世纪 70 年代末,Knot、Berke 和 Venkayya 对最佳性准则法的研究表明,
各种迭代公式之间有着密切的关系,而且某些关系式可以用非线性规划的投影
方法导出。同时 Fleury 在原有最佳性准则方法基础上提出了广义最佳准则性以
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数控机床床身尺寸优化设计
及用对偶公式求解结构优化问题的算法。
我国的优化设计于 20 世纪 60 年代开始起步,70 年代末进入迅速发展期。
钱希令教授作为我国计算力学的创始人,为我国结构优化设计的理论研究和推
广应用作出了巨大贡献。此后国内科技工作者在结构分析和结构优化方面都取
得一定的成绩,发表的工作报告和论文有上百篇,出版了一批结构优化译本和
书籍,如 Cea、R.H.Gallgher、n.Jwilde、Richard.L.Fox、D.M.Himmelban 等中文
译本以及国内学者如余俊、陈耿东、薛嘉庆等
[20-28]
关于优化设计的著作,都为
80 年代中后期我国优化设计的研究和应用工作奠定了坚实的理论基础,尤其在
航空、国防、造船、机械、土建等领域,优化设计方法应用得最为普及。此外,
数学规划和最佳性准则两大类优化设计理论和方法都得到了应用,并导出了二
者统一的条件,从而实现了两类方法的相互配合,促进了优化理论的发展,如
从尺寸优化发展到结构的几何形状优化,从单目标优化发展到多目标优化,从
确定性优化发展到模糊优化等。优化设计的进一步发展是结构拓扑优化、结构
布局优化、结构材料优化、结构类型优化,并走向计算机辅助设计、专家系统
和人工智能相结合的全新领域。如今,结构优化设计作为现代设计理念的一个
重要分支,在世界各地都受到了重视和应用,无论是在基础理路研究或是工程
实际应用,都取得令人瞩目的成就。根据有关资料介绍,美国贝尔(Bell)飞机公
司采用优化方法解决具有 450 个设计变量的结构优化问题,使一个飞机机翼的
质量减轻了 35%。美国波音(Boeing)公司对 747 飞机机身进行优化设计,收到增
加载员数、减轻质量、缩短生产周期和降低成本的效果。某钢铁公司对德国
DMAG 公司引进的 1700 薄板轧机进行优化修改,在生产中增加了几百万马克
的赢利
[1]
。
在国外,美国 Lowa 州立大学的 J.M.vance 与 Isu 研究中心的 T.P.Yeh 等学者
应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计,Michigan 大学的 T.jang 和
M.chiredastls 在应用有限元法和动态分析的基础上,提出了一种数学模型来模
拟机床结构的联接形式,建立整机的模型井对机床结合面的联接件的位置和数
量进行拓扑优化设计。同时,美国 Ford、GM 等著名汽车制造公司利用拓扑优
化的设计思想,对汽车简单薄壁结构进行优化设计;Fox 和 Kapoor 假设一种简
化外部瞬态载荷形式,以便删除各种约束时间的依赖性,并在此情况下,考虑
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