【摘 要】
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随着制造业技术的快速发展,推动了加工中心向着高精度、高效率的方向迈进,这对机床的整体性能提出了更高的要求。立柱结构是机床上的重要构件,其综合性能的好坏可直接制约机床的发展,使用传统的设计方法以及只用单一的金属材料去设计机床立柱,已经不能满足精密机床的发展需求了。所以,对机床立柱结构进行轻量化设计以及创新设计是一个重要课题。本文为探索机床立柱设计的新方法,以某机床立柱为研究原型设计了一种金属/CFR
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随着制造业技术的快速发展,推动了加工中心向着高精度、高效率的方向迈进,这对机床的整体性能提出了更高的要求。立柱结构是机床上的重要构件,其综合性能的好坏可直接制约机床的发展,使用传统的设计方法以及只用单一的金属材料去设计机床立柱,已经不能满足精密机床的发展需求了。所以,对机床立柱结构进行轻量化设计以及创新设计是一个重要课题。本文为探索机床立柱设计的新方法,以某机床立柱为研究原型设计了一种金属/CFRP混合立柱,主要研究内容及创新如以下几方面:（1）对原型立柱进行了有限元分析,得到了原型立柱最大位移云图、最大应力云图、前四阶模态云图以及热力耦合结果云图,为后文设计的金属/CFRP混合立柱结构提供设计参考基础。（2）在不改变原型立柱外形以及安装尺寸的前提下,设计了内圆外方的立柱截面结构,根据轻量化要求对新设计立柱结构进行拓扑优化,根据拓扑优化结果,对立柱内部可优化空间设计筋板结构。筋板结构设计时,结合蜘蛛网结构的特点,对立柱筋板和蜘蛛网结构进行了相似性分析,证明了把蜘蛛网结构作为仿生原型的科学性。依据结构仿生思想对立柱筋板进行仿生设计,用响应面实验设计法对其中几个筋板结构进行了尺寸参数优化。（3）在仿生立柱内部铺设CFRP材料形成金属/CFRP混合立柱,设计了7种CFRP铺层角度方案。用ANSYS workbench中ACP模块对复合材料进行铺层建模,分析了金属/CFRP混合立柱的静态特性、动态特性以及热力耦合作用下立柱变形规律。（4）研究了铺层角度和铺层厚度对金属/CFRP混合立柱性能的影响。对原型立柱与金属/CFRP混合立柱进行有限元结果性能对比分析,结果表明,在CFRP铺层角度为45°、铺层厚度为32mm时,金属/CFRP混合立柱比原型立柱质量减轻了38.7%,而且静刚度特性、动态性能及热稳定特性均得到了提高。本文以期为加工中心创新设计及轻量化设计提供新思路。
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