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机床床身是深孔机床的重要组成部分,其结构的可靠性和自身质量对机床的整体性能均有较大影响。多数深孔加工机床的结构部件在设计时多采用比较保守的经验设计,因此造成结构部件冗余、笨重的现象,同时传统的经验设计并没有考虑结构设计参数的随机性对结构响应的影响。本文以T2120深孔钻镗床床身作为研究和应用对象,利用有限元法、蒙特卡洛法以及响应面法等方法,分别对其进行了有限元动静态分析、可靠性分析和灵敏度分析及床身结构的轻量化设计。研究内容包括以下几点:(1)基于APDL语言编写的参数化命令流建立机床床身的有限元模型。在ANSYS有限元分析软件中对床身进行静力分析和模态分析,得到了机床床身结构的应力云图、位移云图和低阶模态及其相应的振型云图,并对床身有限元计算结果进行分析,发现应力分布不均、结构局部刚度薄弱等缺点。(2)基于随机有限元法对机床床身进行结构可靠性分析,将影响床身性能的参数看作服从正态分布的随机变量,定义床身失效的极限状态函数。利用ANSYS软件中的PDS模块分别对床身结构的强度、静刚度和动刚度进行可靠性分析,采用Monte Carlo法模拟抽样进行仿真计算,得到可以量化的可靠度。(3)在ANSYS-PDS模块后处理中得到灵敏度分析结果,通过对机床床身强度、静刚度和动刚度可靠性灵敏度的分析,得到了在显著水平为0.025的情况下,各随机变量对床身强度、静刚度和动刚度影响的次序及程度,能够为设计人员提供参考指导金属结构的优化设计。(4)基于响应面法对床身结构参数进行优化设计,借助ISIGHT软件提供的优化平台,集成ANSYS有限元分析软件,建立了以床身静强度可靠度、最大变形和首阶固有频率为约束条件,以床身体积最小为优化目标的数学模型。利用最优拉丁超立方试验设计方法在设计空间内产生样本数据点并进行数值模拟,建立了二次多项式响应面近似模型,并采用多岛遗传算法进行寻优计算。计算结果表明,在保证机床使用性能的前提下,通过对床身的优化设计获得了较为理想的机床床身结构尺寸,床身质量减小了11.2%,实现了床身结构的轻量化设计。