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高速卧式加工中心结构动力学分析与优化 研究生：张乐导师：张建润 ( 东南大学) 摘要 雷产裹涟肆式加工中心曩翦毒在熊主要蜒髫是：一是枫康蠼能攒标达不到犬撬爨生枣熬簧求， = 是可靠性选不到用户要求因此，本论文研究的内密是x h 6 6 5 0 高速卧式加工中心豹总体设计； 主机主要构件的动态优化设计及分析技术：高速卧式加工中心立柱高速运动构件高目0 性轻量化设计 技术。燎终的目的是探讨和研究机床动态设计和优化技术，开发出新一代具有自主知识产权的具有 卺弄先避永平的加工中心，使其生产效率、细工精度、加工表面质量、自身重量等备项指标和综合 技术求平达剿蓬繇先逡零平。 ( 1 ) 用基于蠢限嚣方法的缝擒动交学分拆攥论，应是a n s y $ 毒壤元软俘分析辍瘩整梳熬动态 特性；从振型中得出立柱主轴箱是影响整机力学特性的薄弱环节 ( 2 ) 利用l d s 实时信号分析仪进行整机模态实验。对机床整机有限元模掇的精度进行验证， 保证整机有限元模型能较准确的殿映机床实际的动态特性 ( 3 ) 以璃雷能量法为基础，建立机床简化模型，甜其进行了灵敏度分析，找出撼机中整机相对 薄弱环苇，遮减步了结构修敬对的盲秘性，并且对戳精同类型零，部件准确、快速韵优纯设计以及 整捉设计毒羲重要瓣参考意义。 ( 4 ) 以体积为约束，圊鸯频率为孽曝函数对支柱生轴辕遴髫挺 优化。在h y p e r m e s h 孛建立立 柱- 主轴箱的有限元模型。进行了多次的优化，得到了很好的优化结构，优化后的结构动静态特性都 有明显的提高。 关镰词：有限元、模态分析、灵敏度分析、拓扑优化 a b s 翩m c t s t r u c t u r ed y n a m i ca n a l y sisa n do p ti m iz a ti o n o fh i g h s p e e dh o r i z o n t a lm a c h i n i n gc e n t r e 窈a n 垂，e ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t t h 辩a l et w om a j o rp r o b l e m se x i s t i n gi nn a t i v em a d em a c h i n i n gc e n t e r ：t h eo n ei st h a t s t a n d a r dp a r a m e t e r so f 撒a e 妇t o o l sc a nn o ts a r i s t h er e q u i r e m e n tf o rm a s s i v e p r o d u c t i o n t h eo t h e ro n ei 8t h a tm a c h i n et o o l si sn o tr e l i a b l ee n o u g ht om e e tt h ec l i e n t s d e m a n d 。t h u s ，a r o u n dt h ec o m p r e h e n s i v ed e s i g no f x h 6 6 5 0w g h - s p e e dm a c h i n i n gc e n t e r , t h i sp a p e rc o n d u c t e dd y n a m i ca n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no nt h o s em a j o rc o m p o n e n t so f t h e m a c h i n e , a n dd i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yf o rm a k i n gh i g h - s p e e dc o m p o n e n tw i t hh i g h s t i f f n e s sa n dl o wm a s s 1 1 他l l l t i m a t eg o a lo ft h i ss t u d yi st od e r i v ea d v a n c e dm e t h o d sf o r d e s i g n i n gm a c h i n et o o l sw i t hb e u e rd y n a m i cp a b n n a n c ea n dd e v e l o pan e wg e n e r a t i o n o fm a c h i n i n gc e n t e rw i t hs e l f - o w n e dp a t e n ta n dw o r l dc l a s sq u a i l t y 州s t y p eo f m a c h i n i n gc e n t e ri se x p e c t e dt om e e tt h ei n t e m a t i o n a ls t a n d a r d si nw o r k i n ge f f i c i e n c y , p r o c e e d i n gp r e c i s i o n , s u r f a c ep r o c e e d i n gq u a l i t y , s e l f - w e i g h ta n do t h e ra s p e c t s ( 1 ) s t a t i cm e c h a n i c sa n a l y s i so fe n t i r em a c h i n ew a sd o n eu s i n gf e mw i t ha n s y s c o m m e r c i a lc o d e , v i b r a t i o nm o d a l sw e r eg o ta n dw e a kp a r t sw e r ef o u n d0 u t 。 ( 2 )m o d a lt e s t i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nt h ee n t i r em a c h i n eu s i n gl d sr e a l t i m es i g n a la n a l y z e r t h ep r e c i s i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a sv e r i f i e dt o g u a r a n t e et h ev a l i d a t i o no f t h et h e a l r i c a la n a l y s i s ( 3 l b a s e do nr 就a ye n e r g y 懋州泓，as i m p l i f i e dm a c h i n em o d e l 哪e s t a b l i s h e d 。 s e n s i t i v i t yb a s e da n a l y s i sw a sd o n et of i g u r eo u tt h ew e a kp o i n t sa n ds o m e m e a a i n g f l l lp r o p o s a l sw e r eg i v e nt og u i d et h ef o l l o w i n gd e s i g n 。 彤u s i n gt o t a lv o l u m ea sr e s t r a i nc o n d i t i o na n dn a t l l r a lf r e q u e n c ya so b j e c t i v ef o r o p t i m i z a t i o n , t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nw a sc a r r i e d0 u tw i t hh y p e r m e s hc o m m e r c i a l c o d e a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n , t h es m i l ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a l m a c h i n ew c t es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d k e yw o r d ：f e m , m o d a la n a l y s i s ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s , t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n h 东南大学学位论文独创性声明 本入声嘲所呈交髓学位论文是我个入在导师指导下进行的研究王作及取得的研究成 果。尽我鬃稚，除了文孛特裂热以标注弱致滚黪缝方势，论文中不惫含其稳久已缀发表 绒撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或诚书而使用过 豹材料。与我一同工作的f 司忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了瓣意。 碜 究垒签名：! 兰蔓日期：立生1 9 。i 矿 东南大学学位论文使用授权声明 东鬻大学、孛重辩学鼓零痿患骄究搿、莓家瘸书馆富毂缣籍零入所送交学证论文静 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 辑和纸膜论文的内容楣一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 黻公毒 毽括秘登) 论文戆全部或部分蠹寨。论文静公布 毯括程登) 援投东南大学研 究生院办理。 研究生签名：i 丝导师篓名：登遣i 蛰墨裳：翮。雾参 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谂文静研究背景与顼爵露鹃 睫饕社会生产的发展秽辩学技术鲍进步，襁瘩设诗愚恕也在不断进步、发展粒完饕。瑗馒飘来 设计思想的形成，主要经历了选样几个阶段； 1 经验设计阶段；二十世纪四十年代中期之前，机床设计的主要任务是解决加工与强度问题； 即刀具与工件之间需要某种相对运动，| 三l 加工出一定形状的工件。同时机床零部件还威具 有怒够的强度，不受破坏。 2 试验设计阶段：在二十世纪四十年代中期到六十年代初期，随着科学技术的发展及工艺水 平酶提高，梳床设计的任务不仅仅要解决加工与强度的问趱，而且更主要的悬要解决机床 雒耩廑及各种性能润瑟魏祝床的运动精度、剐废，抗震链、低速运动稳定饿、热变形、 噤声裙著按等簿蘑。 3 。 嚣算搬耱劲设计黔段：二+ 懂绝六十年代串辩鞋来，辩学技术静新成就为梳凑设计提供了 大量的测试数据，理论獗究韭取褥了更大发麓，特裂鬟电予计算辊韵出璇藕瘦用，使概床 设计思想进入了一个崭凝戆除段。机床设计思想秘主要内容是，把实际鲻题赘亿为模蘩， 撮据提供的致据_ 秘选定豹垦标函数，用诗舞极进霉分橱，计舞著选定最佳方案。 1 1 1 本项目国内外科技创新发展概况和最新发展趋势 蒿速辞式加工中心用于太批璧稽体类，壳体类复杂零件加工，它集精密机床、高速机床、控制 及热工工艺技术手一体，体现国家数控极疼爱键造技术瘩平。出手高速群式拥王串心技术对汽车工 业、摩托车工业产业化的作用巨大，薅方国家一直姆这类装备列为关键设蚕蔗大力研发。除应用在 汽车工业、摩托车工业，高速卧式加工中心机床也是航空航天和国防军事工业、船舶、能源等设备 制造中的关键设备。 由于汽车工业的飞速发震羁个性纯黪器求，对发镑橇静耩瘦和汽车零部释离生产率、高柔褴豹 要求越来越商，因而对瘫速、高效数控加工机床的霈求也就更大。2 0 0 5 年d e 京国际帆床展览会集中 反映了当今世界数字制造的新成就和机床技术进一步向高速，高效，精密，复台智能。环保发展的 怎趋势。 嚣势瘫逮馨式攘芏孛心在技术上翔鞋下冗方囊发震； 主轴高速、高功率。主轴转速达到1 0 0 0 0 - 2 5 0 0 0 r r a i n ，电主轴功搴为1 5 - 3 0 k w ； 进给速度提商。快进速度一般能达到3 0 - 6 0 r e r a i n ，进给速度达到2 0 m r a i n ，个别的如德国 e x - c e l l 4 ) 公司由于采用宣线电机黧动，工作台最大快迸速度1 2 0 m r a i n ，加速度2 9 ，进给速度达 6 0 r e r a i n ； 结构轻量化。为了实现巍速、高加速度，结撺上趋向轻麓化，以便尽可能攮轻移动搏豹震量， 获得所要求动静刚度条件下最轻的质照： 高速n c a t c 轴，骧缩短非切削时间，提高工作的可靠性； 舞速鼹瑶疆转残a p c 交换王作台( a p c ) ，可瓣痘多面a p c ，蕴成柔性制造单元与柔往翻造系 统( f m s ) ： 商精度分魔工作台。交换工作台的支承面采用圆锥结构，工作台的回转采用力矩电机驱动，可 达n c o 0 0 1 。分度 东南大学硪士学惶论文 1 1 。2 本项目研究聪的与意义 迄今为此，我国合资汽车制造农业生产线柔性制造系统中的卧式加工中心绝大部分是引进的， 剩余静穗是鬻， 赫薜，国内组装的，完全没有自主知谖产权。 国产卧式妇蔓中心无法涉足汽车制造生产线蛇主簧器毅：一是机瘩性能撰标选不粼大擞量燕产 的要求，二是可靠性达不到用户要求。 本项目研究的目的就怒针对汽车工业的急需研发出具有当代豳际水平、适合国内用户现有基 穑和生产需求的离速离精度爵式船工中心，主要麓于发动机视体和缸盖及连秆等五大件进行高速高 效加工，共鹅毒虫主知识产权、填於藿蠹裹速裹糖度瓣式掬工孛心生产瓣空鸯，打破嚣努技术封镁 和产业垄断，在事关国家经济、国防命脉的“高、精，尖”重大数控装务上实现突破。 因此本论文研究的内容是完全结合江苏省科技基础建设项目“江苏省数控工程技术研究中心” ( 批准蟹：b m 2 0 0 5 0 0 3 ) 和潼家自然辩学基金颈蟊“视冻结构动态优化剖新设计c a e 关键技术研究” ( 批准号：5 7 5 0 2 6 ) 进钌豹。项鼹最终的鞋熬是探讨帮研究枧瘩动态设计帮往纯技术，开发窭薪 一代具有自主知识产权的具有世界先进水平的加工中心，使其生产效率、加工精度、加工表面质量、 自身重鬣等各项指标和综合技术水平达到国际先进水平t 3 - s 1 1 2 番内井祝床缩构动力学建模与优化方法的研究 髫熬屋内， 搬康续构动态钱健设静瓣一般避纛是即l ： ( 1 ) 在计算机软件平裔上，通过对机床攘机及结构零躲搏c a d 三缨实体造型，势进舒适蚩约会理 简化，从而建立机床部件及整机的结构有限元模型。 ( 2 ) 用实验方法对有鞭元模型进行校正。使得建立的有限元模型能准确的反映实际结构的动静态特 征。 ( 3 ) 对机床结合掰问题进行研究通常利用务种模态试验的方法来对系缝进程识别，褥到缝合囊的 特征参数。 ( 4 ) 幂j 翊校藏后的零、部件的有限元模受和得到的结合面参数建立合理的整机结构有限元模型，并 剩翔结构分橱软件对熬撬的动、静态特挂进移分析。 ( 5 ) 根掇结构分析的结果，指导机床整机和部l 牛的动态优化设计，主要德化方法鸯尺寸优他，形状 优化和拓扑优化，其中拓扑优化作为高级优化得到越来越广泛的应用。 ( 6 ) 乖j 掰主动或被动戳尼控铜装置实现在某登激励下机床缩构的减振设计，运捌撮高机床加工藕度 蛉秘的。 ( 7 ) 通过c a d 技术绘制优化选型后的机床整机和姆件的结构设计图，并定型生产 在上述过程中，尚有许多理论与应用问题需要研究和解决。 1 。2 i 梳床c 矗e 技术的笈展现状鸟趋势 计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是一个缀广鲍概念，扶宇錾主讲它霹矬怠捶 工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的c a e 主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安 全可靠往分析。现在的c a e 刚指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构 与过程倪纯设计、强度与寿命评估、运动磁力学彷真。获过程纯、实浯纯毅术发展的角度看，c a e 的核心技术为寅限元技术与运动佐真技术。 c a e 的理论基础起源于2 0 世纪4 0 年代，教学家c o u r a n t 第一次尝试用定义在三角形区域上盼 分片连续函数的最小位能原理来求解t v e n a n t 扭转问题。1 9 6 3 - 1 9 6 4 年b e s s e l i n g 、m e l o s h 和j o n e s 等大涯弱了春隈元法是莲子交分琢瑾的垩兹( r i t z ) 法的勇一种形式，觚而使得里兹分析得所有理论 2 第一章绪论 基础都适用于有限元法，确认丁有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。将有限元分析技术 逐渐由传统的分析和校核扩震翔优化设计，并与计算机辅勘设计与辅助制造密切缩合，形成了现在 c a e 技术框絮。 c a e 软件的发展始于1 9 6 0 1 9 7 0 年。1 9 6 3 年由d r r i c h a r d 、m a c n e a l 和m r r o b e t ts e h w e n d l e 成 立了m s c 开发了第一个结构分析软件。并于1 9 6 5 年参与美国国家航空及宇航局( n a s a ) 发起的 计算机缩构分析方法研究，其程序也更名为m s c n a s t r a l 。1 9 6 7 年在n a s a 韵支持下s d r c 公司成 立，劳予1 9 6 8 年发毒了毽界上第一个动力学测试及模森分析软件毽。1 9 7 0 年d r j o t ma s w a n s o n 成 立s w a n s o n a n a l y s i s s y s t e m ，i n c ( s a s l ) n 来重组改髂a n s y s 公司，开发了a n s y s 软孛。健在发展 方向上，m s c 和a n s y s 比较专注于非线性分析市场，s d r c 则是更偏向于线性分析市场，同时s d r c 发蒜起来了自己的c a d c a e p d a m 技术。 1 9 7 0 1 9 8 0 年代是c a e 技术蔫勃发展黪蓦孝麓，一方霹s d r ( ：, m s c , a n s y s 等在技术帮应耀继 续创新钋，新的c a e 软件迅速成立。1 9 7 1 年m a r c 公司成立，致力于发展题于嵩级羔程分辑蛇逶 用有限元程序，而m a r e 程序重点处理非线性结构和热应力问题1 9 7 7 年m e c h a n i c a lo y d a m i c $ i n c ( m 0 0 公司成立，致力于发展机械系统仿真软件。箕软件a d a m s 应用于机械系统运动学、动力 学接囊分辑。1 9 7 8 年h i b b i t t 鼢l s s o 陋s 徽琢厶公霭藏忘，其a b a q u s 软件主要藏用予结构菲 线性分析。剜肘期还有多家专业性软件公司投入专业c a e 程序的开发。 上世纪9 0 年代是c a e 技术的成熟壮大时期。世界前几名的c a d 软件c a t i a , c a d d s 。u g 都增 加了基本的c a e 前后处理敷一般的线性、模寤分析功能，藏者短过并购另外的c a e 软件来增加其 软转瓣c a e 功能。羁嚣孝，备大c a e 软释瞧在蠡c a d 靠拢。c a e 软件发蓑裔积稷发震岛各c a d 软 件的专用接口，并增强软件的前后处理能力。如m a c n a s t r a n 在1 9 9 4 年收购了p a t r a n 作为皂邑的 前后处理软件。并先后开发了与c a t i a 、u g 等c a d 软件的数据接口它先后通过开发、并购，耳 前旗下拥有十凡个产晶，如用予非线性瞬间动力问题的m s c p r e p o s t 等多个应用软件。而s d r c 则 在誊己的萃一分摄模型豹基稿上先露形残了耐用悭、啜声与振动、钱纯与灵敏廑、电予系统冷却、 热分析等专项应用技术，并捷有眼元技术与实验技术有机地结合起来，开发了实验售号处理、实验 与分析相关等分析能力。i i ”副 1 。2 2 梳床缩构动力学豹建模方法及分析 机床结构怒由许多零、郝螋鳃成，恧零、郝件之闻的连接方式也骞经多争争，如螺栓紧固连接、平 面导轨和滚动导轨的滑动连接以及转子支撑连接等等。由于计算机硬件条件限制，应用有限元法建 立准确、合理的机床结构有限元模型使之符合实际工程建模精度要求，是一个非常复杂的问蹶。 要保涯规凑这种大型复杂结构具有足够静建模精度，逶常需要进行大藿静试验，藉胡试验结栗修正 有限元模型，也就是所谓的“动力学模型修正婀题”；另一方蟊在规庶动态特性职褒中，动态特搜分 析和动力学模型为贯穿始终的主线。无论进行动力学分析还魁动态优化设计都以动力学模型作基础。 对机床结构或结构动态性能的研究主要有兰种基本方法，即理论建模及分析方法、试验建模及分析 方法秘二者程结合躲方法： 1 所谓理论建模是指运用力学定锋建立系统的数学横型，采用数蠖方法对模型进行求瓣。理论 建模已进行了几十年，模拟程度由简单逐渐复杂，模拟精度不断提高。建模种类包括集中质擐模型、 分布质量模型、有限元模型等。理论建模的质麓与建模人员的水平、经验密切相关。使用粱冗素和 榘孛蔟量力学模型，篱萃置花费少，侄是游篙筚模壁来模瓠复杂结构，模疆分析结渠与实际特往有 较大误差，恧骞限元模型则计算复杂，花费大，又受不确定边界条件影睫，单嚣细分瑟带来计算累 计误差，也使理论建模与实际结果有较大误差。因瓶，理论建模商一定的局限性。为改进建模方法， 试验建模及分析得剿了迅速发展。 2 搂态分析技术豹发震推动了出试验数据建立系统动力学模型韵方法的发展。多年来，大量文 献通过试验及数据处理来识别实琢结构豹动力学特性，发展了许多试验建摸方法试验建模又称为系 统辨识，是通过观测到的系统的输入、输出数据，对系统确定一个数学模型，使这个教学模型尽可 3 东南大学j 爱士学位论文 能精确地反映系统的动态特性。这大大简化了系统中求解的数学运算，而且也为_ | 夔用控制理论和借 助计算机实现最忧控制提供了可能健。嘲此试验和计算模态分析的结合成为解决现代复杂结构动态 特性没诗羲桴辘橱盛懿重要手段d “s l 出手试验建模方法是霹瑗有设备( 或其试验装置) 麴典型工糯 进衍动态试骏建模，所以避免了结构、轰缝会部联结袭件及其等效动力学参数、瑕尼骰设、各秘边 界条件的近似及简化，以及近似计算等带来的误麓。故所得试验模型与现有机械结构的实鼯工况有 较高精度的吻合，因而模型及箕动态特性对机械鳐构的模拟精度都较高，这是该方法最突出的优点 该方法豹不是之簸在t - ：需慰褒存样梳f 或摸攒试验装置) 迸嚣动态试验，戳改避其动态耨性，未熊把 提琏机械结构动态性熊的问题簸决在方案及盟纸设计哈段；一般来说，霉器有动态试验掰霉的激黝、 测试、信号分析及数据处理等设备及系统，因而投资较大：由于动态试验及信号分析数据处理过程中 均带有备种随杌噪声干扰，测试仪器便表的谈差，附加质量的影响。信号的横，数转换谟差，信号的 各群变羧，攘密裁断带来落差，参数识蹦秘误差，计算误蓑等垮会对激励、耩痤僖号爱模登带来误 差，从聪也会对求摄的动态特性带来一定的谈差。势旦，它要求憋设计数系统支撑模型或实物，君 能进行建模工作。因而，它适用于骏证设计阶段。 3 理论建模和试验建模各有自已的优点，又备有其局限性。因此，将理论建横和试验建模结合 起来应鲻是一个璎怒的方法。综合建模就是将有戳元技术帮试验筷态分析技术有梳遣缩合越来，发 挥舞自的长处，以碍到能礁切地反映实鼯，实用的动态分攒技本。剥用测试褥到的较准确豹摸态参 数来修正理论模型使修正后的理论模型能够确切地模拟结构的动力特性，在这样的动力学模型基 础上迸行分析和优亿设计，就能眵充分发挥理论分析的作用。采用有限元法与试验模态分析和结合 的鸯模方法，鸯秘于残不瓣设计蹬黢采瘸不麓抟建模方法，捷商建模豹矮量，更好遥满足瓣系统提 出的预定的要求。综台建模发展于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 5 零i 。s te t s o n 撼出了一除摄动法；1 9 7 9 年，j c c h 踟提出了矩阵摄动法。l b u g e a t , a b e m 蹦，f s 、i 、周传荣等人在这方面都作了不 懈的努力，撼出了很多重要方法。这些方法的共同特点是认为试验得到的数据与分析数据有一个很 ，l 、弱变傀，它锅j 豉s l 熬滠分耩系统静一个缀，j 、静摄动，其裔溅试筐燕原系统分折慧与摄动僮之帮这 样一釉关系，根据试验数据与分析数据的变化量寒估计结 奄参数的变化。剩熨测试数攥修委毒聚元 模型，是当前进行机床结构动力分析和动态设计比较有教的途径1 1 9 2 3 1 。 i 。2 3 试验援态分爨技本壤凝 如上所述，试验模态分析与解析的有限元分析方法相结合已成为解决工程振动问题的重要手段 | 2 4 - 2 s 3 。在进行机床设计时，c a e 分析与试验验证密不可分，根据试验结果来检验并修正动力学模型， 为改进设计撬供依据。 6 0 年代以后，试骏模态分攒大致可分失三个盼段 2 6 1 ： l 。6 0 年代，主要采用稳态正弦激振和测试技术，利用频率响应的蜜部和虑部或导纳圆拟合方法 确定模态参魏。 2 。7 0 年代，基于快速蔼立砰的动态蔼号分析便和小垄计算梳在蜜验室广泛采丽，各种宽颓 带激振的快速频响测试技术莘珏多囊虫发频域、对域摸态识别方法，残必试验摸态分摄静差溅。 3 8 0 年代以来无论是激振、测试技术，频率响成口煳估计和模态识别方法，还是测试设备 等方面都有了新的突破，进入了一个崭新阶段。 翠鬃豹试验模态分析仪器是基于快速傅立砰交换( 栉d 酌动态分析便嚣( 如h p 5 4 5 1 a ，b 。c ) ， 弛年代米鄹鲫年代扔谜验模态分辑系统发展隽由数据采集，售号分摄鞫遗用小型谤舞橇躯残魏圣 算 机辅助试验系统( c a t ) ，计算机及相应模态分析软件成为试验模态分攒的核心。现代试验摸态分析软 件一般由三大部分组成： 1 。前处瑷。辞试验对象的凡何造垄，用予模态试验前澈振和溯董布局，形成酌凡何文件也是后 箍理中摄型动疆显示弱基础。 2 颓响测量、曲线拟合与横态计算包括频攀响威函数测曩，对来自动态信号分板仪藏 4 第一章绪论 数据采集，信号处理f r f 数据进行各种形式曲线显示，极点( 包括模态频率与阻尼比信息) 和冒数( 计算 振囊) 识捌，戳及模态参数计算与妇一纯簸理。现代模态分析软件还舆有菜种形式的模态精度和可靠 性捻验芋段。 3 后处理，即振裂动蕊显示。振型是十分重鞭的动态特性参数，其动茴以形象的羔程“语囊” 与工程设计人员“沟通”，在试验模态分析技术中起了十分蘑要的作用。 丸十年代馥来，在模态分析软件系统方耐，美国的结构动力学研究公n ( s d r c ) 和秘：利时的鲁绞 测试系统公裁( l m s ) ，在撬模及能力上都屠主导地位。s d r c 近年来推出试验数据分析模块，较之鞋 前版本，新版本中增加了试验分析楣关、时域信母处理、试验数据管理和摸态分辑的特点秘功能。 例如，在试骏，相关模块中利用几何造型与结果数据库，使试验与分析数据比较更为方便。税模态分 析模块串提供一种新韵正交多参考煮识剐算法，耩度更高、灵活性更丈。s d r c 的试验分析软件可 独立使用，墩可俸为该公霹著名规攘、续构设量 鑫动能软释系统id e a s 静一帮分。l i d s 公司静主 要软件c a d a x 除了常规模态分析功能外，还具窍灵敏度分板、结构动力学修改、强遗响藏信囊、 模型修正、旋转机械分析以及振动台随机振动控制等功能模块。 随着微梳技术的发展，在微杌d o s 环境下运行的模态分析软件继续受刮重视和欢迎。美国s m s 公霹的s t a r 识爨霹等各秘多遥道动态傣号分辑纹褶酝静圭要徽辊模态分析软件，具有模态分析、 响应仿真和结构动力学修改三个基本模块。s t a r 嚣在m s w i n d o w s 上运行，内毒1 m 以上。 但是，试验模态分析仍存在其缺点和不足主要体现在费用高、仪器昂贵、需专门的试验环境、 诩练有素静工作入员和较商的培诩费用；耗时，准备工作复杂，时间长；对于大型结构测试无统一 标壤。襞班试验攘态分辑镁域鹭藩仍有苓少闷题懂得研究帮改进。 1 2 4 机床部件和整机结构动态优化方法的硬究 对予机床这类大黧复杂结构，即使巍用线性有限元方法建立线性的结构动力学方稔，但优化设 计爨是 # 线性耀题，这表瑗必蚤据蠹数帮选定游设计交量之闻怒逶遥动力学方程籀联系，意义出的 函数关系也还是j e 线性函数；另外，模型可选定设计变量的参数4 # 鬻多，且模型皂走度数爨太( 尼 十万) ，使得现有的数学规划法难以盥接成用。 复杂的梳械结构系统的动态设计，目前常用的方法是采用人一机交互的方式，对结构系统进行 建楱和特性分柝，撮攒设话者懿要求遘学结擒的动力学修改，然后程计算杭上进稃再分析，多次反 复，直到所设计的结构动态性能满足要求。 目前，国内学术界对机床部件进行的动态优化设计仍局限于广义意义上的优化设计，其实质是 4 方案眈较”的优化设计。其优化效果的好坏往往取决于设计者的经验。在计算机平台上的虚拟开 发琢境中，实现设计者割定的鏊标函数与约束条俘鑫动完成於优纯结莱援索静“自动德纯”，仅在简 单零件上能够实现，剥用数学嫂划法和优化准则，由计算虮自动来完成继均系绫魄饯饯过载，这势 自动优化设计还有大量的理论工作和实际问题有待解决。国内结构的优化设计基本上还采用人机 交互设计的方式，在自由魔不多的系统和部件子结构中实现自动优化设计。 在国多 ，规床结梅静韵力学模羹掺正霜动态优化设计等方嚣豹研究发震徭侠，并己将箕它镬域 的知识应用于结掏的动力学模型修改，美国c a t h o l i c 太学g b i a n c h i 等学者搀桃床的动态设谤与控测 相结合，l o w a 州立大学的j m v a n c e 与i s u 研究中心的t e y e h 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，m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和m c h i r e d a s t 在应用有限元法和动态分析的基础 上，提出了一种数学模鼙来模稼橇床结构魏联接形式，蘸立整杌的模囊并对视臻结合面韵联接件( 如 焊点、螺栓等) 蛇位置靼数量进行拓$ 优化设计。 机床是由许多零部件组成的复杂系统，因此零部件的动、静态特性直接影响整机性戆。如何提 高机床主要结构部件的幼、静态性能，对于提高机床加工精度、保证机床工作效率有着重要意义。 瓣予梳臻单个部件的优纯设计，一般是瑷钎对结构固有频率和动静两度为优仡的目标函数来迸行优 化搜转。在这方嚣，国内许多学者擞了缀多工作势取褥了丈霪的成栗# ”。 汤文成、易红对机床结构的动、静态特性进行分析和优化设计，通过分析和磷究锝出改变结橡 5 东南大学硕士学位论文 的筋板类型和布局提高结构动、静态特性，并且提出了以导轨变形鬣作为结构设计的生要依据，各 设计变嚣对机床动、静态性能黄献加扳作为结构优纯设计的目标函数，同时在结构的参数化设计等 方瓣进褥了努益瓣尝试1 2 ”w 。 吴长智提出了一种离散误嫠线性优化的方法，在m g l 4 3 2 b 磨庆动态测试的基础上，建立整机 的动力学模型。较全面地分析和指出了掇机结构存在的薄弱环节并提出了修改方案，该方法为整 机结构动态往能的修改提出了准确、可靠的依据l j ”。 徐熬申、刘硗平，彭泽惑等提出了庭瘸模糊建论采实襞凝槭结擒的优纯设计帮动力学横型修正， 而陈瓤、张学良等应用b p 神经啜络进行结构的动力学修旋和优化设计，这貔方法对于规艨结槐传 的动态优化设计都具有很好的指导意义p ”j 。 建立一个真正反映结构系统动态特性的机床动力学模型，仅仅是进行结构动态优化设计的先决 条黪，嚣不是最终蟊标。凑态设计静最终鑫静，燕利用系统的动力学模垄瑷蘩获褥一个具有蘸好动、 静态特性的机床结构产品设计方案。 i 2 ，5 结构拓扑优化方法 结祷优讫设圣 是1 9 6 0 年代扔发展起来静一门新兴学科，它掩数学串豹最优纯理论与工程设计 提结合，使人寥】在解决工程设计闯鼷对。可以从无数设计方寡中找到最优或者是尽霹能宠善熬设计 方案。从而大大提高了工程设计效率和设计质量。 结构优化设计可以根据设计变量类型的不同划分为3 个层次：优化结构元件的参数，称为参数 垅纯或足寸伉亿；优毒l ：结构靛形状，称为形状优仡；恍亿结橱的拓扑缩丰龟，称为拓扑优纯。箕中拓抨 优化的住用悬重要的秘决定的，薅难度也是最大豹，楚公认的最具挑战的难蹶之一。拓扑优化又拔 称为轮廓优化或者广义形状优化。拓扑优化的对象是离散的或者连续体结构。连续体的优化目的是 在绘定的载荷，约束，材科和嗣标函数的情况下，确寇连续体内部孔的数量，以及内部和外部的形 状删l 。 结构拓扑优化的研究历史悬从雅架结构野始的。m a x w e l l 在1 8 5 4 霉善次进符7 成力约束下最小重 量桁架的基本拓扑分析。m i c h e l l 在1 9 0 4 年用解析的方法研究了威力约束、一个载荷作用下的结构， 得到最优桁檠所满足的条件，后称为m i e h e l l 准剐，并将符合m i e h e l l 准则的桁架称为m i c h e l l 桁架，也 称最夺囊量桁絮。这被试为是绥搀搭癸优亿设诗毽论崭究静一个里程碑p | 。 m i c h e l l 理论在近几十零褥到一些重要发展。e 牲证明了m i c h e l l 掺架固畦也是最小黍度设话。 h e g e m i n e r 等将m i c h e u 准则推广到刚度、动力参数约束，以及非线性弹性等情况。h e m p 纠正了其中 的一些错误。r o z v y i 对m i c h e n 桁架的唯一性以及杠件的正交性做了讨论，对m i e h e l l 准则骰了迸一 步静嫠爰。残在，已建立了多工况瑷茂盛力和位移组合约束情嚣的德纯准辩。在魏期阕，入们也在 不暾努力寻找鑫神情况下m i c h e l l 糁袈的解板解。h e m p 爨t 究了m i c h e l l 拯架的求妻擘方法共绘出了一些解 答。r o z v a n y 研究了在一个集中力作用下在一个赢线支撑边界，或两个相交支撑边界，或四边形设 计域时西边全部支撵情况下的m i c h e l l 桁絮的群答。研究发现，如果大部分边界被约束，力的可能传 蟾路线魄较多彗幸饯纯辎对毙较麓荤。 结构挺扑优化耳煎鲍主要磺究对象是连续馋续梅。优化的基本方法是将设计毯域划分为骞难单 元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。由于计算机的发展 和有限元理论的应用，拓扑得到了很广泛的应用。应用领域涉及汽车结构，桥粱建设。复合材科设 计等等。 m i c h i g a n 大学魄t j i a n g 襄m c h i r e d a s t 袁应用有黢元法秘动态分据黪基础主，提逡了一种数学 模型来模拟机床结构的联接形式，建立整机的模型并对机床结合面的联接俘( 如焊点、螺检等) 舱 位置和数量进行拓扑优化设计l y 6 - 4 0 l 。 蓬内瑷隋允藤为代表的研究a 赛也在致力于貉箨优纯模蓬和方法的研究提出了一些优化的方 法，妇l c 艇法拓势优化，磅究多王况不嗣裁萄馕嚣l c m 拓 优化p ”。 6 第一章绪_ 埝 1 。3 本文磺究内容与主要成果 本文结合国家自然科学基金项目和我苏省十纛重大科技攻关项髓，搬据疆翦豳内外机床动态设 计研究的现状，对江苏多棱数控机床有限公司设计的x h 6 6 5 0 高速卧式加工中心进行结构动态优化 设计，着重进行了良下一篓方磷的研究： ( 1 ) 建立热王孛心豹c a d 模型，在设计竞诲嚣莲藿瞧对结构复杂的主要零舔幸牛进行篱讫，去簸不 影响结构动静态特性的小结构，在通用有限元软件a n s y s 中用体尊元、梁单元、质擞单嚣、弹簧 阻尼单元等单元类型建立机床懿机详细的有限元模型。 ( 2 ) 利糯模态灏试理论中的分蓬分析法，对该加工中心滚动直线导轨的结合面进行特征参数识别， 蒡援据测试答到螅结巢剥鲻弹簧一黢是攀元慰结会嚣避程建模，耀璇模接导孰结合嚣对整税动杰性 能的影响。该方法较好地觯决7 导轨连接结合亟的有限元建模闯题，荠量具霄较赢的建模糖度，祷 合工程实际要求。 ( 3 ) 乖j 胡l d s 实时信号分析彼进行整视模态实验，对机床整机有敝元模型的精瘦进行验证，使有 限元模型毙攘确反映实际续梅熬动静态特征；疑对考虑了警孰络台甏参数黠繁撬豹影响，缣证攘梳 有限元模型能较准确的反映机床实际的动、静态特性。 ( 4 ) 以瑞雷能量法为基础，建立机床简化模型，对其进行了灵敏度分析，找出整机中整机相对薄弱 环节，遮减少了鳐构修改对的盲目毪，并且对以后同类型零、部件准确，快速的优化谈计班及熬机 殳诗有菪重要的参考意义。 ( 5 ) 在该机眯中立柱对整机性能具有重要影响，考虑到拓扑优化是寻求空间质量在绘定约柬下的最 佳分布，建立了立柱生轴箱的拓扑优化有限元模型，以体积为约束，分别以三阶固有频率为目标函 数建立三个拓扦优化数学模型。 ( 6 ) 逶趱对缀整辍设谤方案的鸯蔽嚣摸受进舒动力学分耩，找凑摄楗瘩结构豹薄弱环繁。锋对这些 薄弱环节提出了整机改进方裹，慰这些方案的弁拼结果可以看出额方案使整机的动、黪态饿毙均有 了很大提升 7 宋南大学硬士学位论文 第二章基于莉限元方法的结构动力学分析理论 在实际工程中对复杂结构进行动、静力学分析，一般不能得到糖确的鳃析解，这是因为系统微 分方程组的复杂性或边界条件和初始条件的难以确定性。为解决这个问题，需要借助于数值方法来 近钕。 使用数馕方法避器结毒每分辑可以分为涎大类：毒隈差分方法襄骞限嚣方法。傻耀眷聚差势方法， 需要针对每个节点写微分方程并且用差分方程代替导教。这一过程产生一鳃线性方程。巍限楚分 方法对于简单的求解是易于理解和应用的，但是使用该方法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界 条僻静结构瓣题。裾跪之下，裔限髭方法使掰公式方法而不是微分方法来建立系统的代数方程缀， 这莉方法假设每令单嚣的近似麴数瓤边爨条髂是连续黪，遥蓬结合备个攀独辩解产生系统黪完全解， 因此用来解决复杂结构的分析问题就比较容易1 4 “。 随着计算机技术的飞速发展和一些通用有限元软件的不断完善，有限元方法越来越被广泛的使 尾在对复杂缩构的动、静力学分析上。对于该杭臻结构的建模与性能分析，正是采用有限元方法， 在避用鸯艰霜分攒软绺a n s y s 的基础上进纷舞。这搬是鬓蕤壤瘩符业绩构动、静态分析瓣最主要 方法 2 1 有限元法结构动力学分析理论 有戳元方法悬用予求群工程中各类阿露的一种数值方法。瘟力分析中稳态的、瞬卷的、线雠的 或 # 线蠛的秘惩，鞋及熬传导、流体流动窥嘏磁学中静翘蘧都胃鼓用有限元方法遴行分析解决。 现代有限元方法的起源可以追溯到2 0 世纪的早期，当时一些研究者皮用离l 敦豹等馈抒拟会摸态 的弹性体。然而，人们公认c o u r a a t 是应用有限元方法的第一人。1 9 4 3 年，c o u r a a t 使用分段多边形 插鬣法丽不燕三角箭分法采研究扭转f 司题。2 0 世纪5 0 年代，b o e i n g 公司采用三角元对机翼迸行建 模，大大雄动了鸯限嚣方法的应耀，不少学者绣纷开始采耀这一方法来遥舒维构分析。2 0 毽纪6 0 年代，研究者开始将有限元方法应用到解决工程中的其他领域，侧如热传导分柝，电嫩场分奄等。 随后出现了一些通用有限元软件。如a n s y s ，n a s t r a n ，m a r c 等，使有限元方法可以越来越方便 的为入帮j 所後用。 从数学舞发看，寿限元法是求群数学锈理方程豹一耱数擅方法，属予交势法范畴，是各种经典 数值方法( 如瑞利里兹法，迦辽金i 去) 的新形式。毒暇元法与经典方法的共同点是都能把一个连续 体的偏微分方程组离散化为等效的代数方程组。但有限元法与经典数值方法在插值函数的选取方式 上不同。在经典方法中，是在整个求解域上选取统一的插值函数，并要求该函数在域内和域的边界 上均瀵是一是懿条件。磊在有隈元法孛，疆毽透数要势片的分鬟在子域上或擎元上选取，势要求插 值函数在各个子域内部、子域之间的分男嚣上以及予域秘钋界的分雾蕊上均 羲足一定条谗，因此从 这方面讲有限元法是有限差分法的一种发展。 有限元法在用于对于结构力学特性的分析时，它的理论基础是能量原理。根据得到的方程组中 j 箩 含未躲数静性震不霹霉分为三释德况：静是瑷位移作为来知燕豹分析法，这种情况称为往移法， 一般采用晟小位能原理袋虚位移原理进符分橱；另一弛是以废力作为来知爨的分橱法，穆为痰力法， 一般采用最小余能原理进行分析：第三种是以一部分位移和一部分应力作为未知量的分析法。因此 称之为混合法，一般采用修正的能董原理进行分析i j j 。 2 。l 。1 有限蠢分凝基本步骤 有限元分析的主要步骤分为预处理、求解和后处理互个部分 1 预处理阶段 8 第二章基于有限元方法的结构动力学分耩理论 ( 1 ) 建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元 有限元悬一种离散亿的数值计算方法。运用离散他的概念有限元方法将连续介质或结构划分 残为诲多个有限大夺豁子区域静集会，把每一个予区域称为莘嚣或嚣素，将擎元韵集合称为障格。 而实际的连续介质或结构可以簧成是这些单元在宅 f 】节点上相受连接两缀成的有效集会髂。困鼗， 有限元方法是一种近似的数学计算方法，随着网格的加密，等效集含体将逼近于实际结构，或者说 有融元计算模型逼近蜜际求解城，收敛予精确。 ( 2 ) 假没鼹表单元爨理行为的澎函数，帮霰设钱袭擎无解豹遥戳连续丞数 在使用有限元方法对连续系统进行分析时，为了能用节点使移采表承单嚣体的位移、成变藏应 力等参数，必须对单元中位移的分布作一定的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单函数这种 函数就燕形荫数。适当的选择形函数是有限元分析正确与否的关键。目前，一般采用多项式作为形 函数，多项式抟璎数瘦等 ：萃嚣静蠢由爱教。摄攒选定静形函数，裁可躐用节熹位移推导磁单元内 任一点