多功能复合机床作为高端数控机床的一种,正以其独特的优势被广泛应用于生产制造中,已成为现代制造业的核心装备之一。随着多功能复合加工技术向高速度、高精度、高稳定性的方向发展,对机床结构静动态性能要求也越来越高。为此,对多功能复合机床的静动态特性分析及优化已经成为现代机床虚拟样机设计中不可或缺的环节。本文以自行研制的多功能复合机床为研究对象,采用理论模型分析、有限元模拟仿真、结构优化设计等方法,对机床整机进行静动态特性分析,寻找薄弱零部件,并对其进行结构优化设计,提高了机床的静动态性能。主要研究内容如下:(1)建立多功能复合机床三维模型,计算车削、铣削、滚削三种工况下整机的受力情况,并对模型进行静态仿真分析,对比机床在各工况下的变形和应力,为机床静态薄弱零件辨识及优化提供参考。(2)基于广义空间动态分析理论,针对该机床多轴联动,多种工况的特点,首先对参考位姿下的机床进行模态和谐响应分析,然后模拟仿真各轴运动过程中机床模态信息的变化情况,获取结构耦合作用对机床动态特性的影响规律,从而进一步判断影响机床结构耦合动态特性的关键零部件,为机床动态薄弱零件辨识及优化提供参考。(3)对动静态薄弱零部件立柱-主轴箱系统进行多目标尺寸优化。提出一种BP神经网络近似模型与NSGA-Ⅱ算法相结合的优化设计方法,以提高前两阶固有频率和降低最大变形为目标,关键尺寸参数为设计变量,质量为约束,进行尺寸优化。结果表明,优化后立柱-主轴箱系统在极限工况下的变形下降了4.5%,机床在X、Y、Z方向上的共振峰值分别下降了40.84%、38.33%、31.90%。(4)对易轻量化零件同时也是动态薄弱零件床身进行基于折衷规划法的多目标拓扑优化设计。以多工况下床身柔度最小和低阶固有频率最大为目标,单元密度为设计变量,体积分数比值为约束,进行拓扑优化。结果表明,优化后床身质量下降了9.58%,机床在X、Y、Z方向上的共振峰值分别下降了35.21%、46.67%、41.38%。