随着机械制造业的竞争日趋激烈,产品生产周期日益缩短,提高设计效率已成为企业占领市场的重要手段。工程研究与实践表明：整个机床全生命周期约80%的费用是由产品设计阶段的工作所决定的,而这一阶段机床本身所需费用则占不到总费用的3%。进行“面向动静热特性的机床数字化设计及其软件实现”的研究,不仅为数字化设计提供了软件平台,同时也支持了机床向高速、精密及复合化趋势发展,为实现提升机床产品性能和开发效率提供了技术保障,是“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项研发的重要环节。作者紧紧围绕课题目标,辅助开发了MATO软件的热分析模块,通过标准考题验证了热分析模块的正确性,对多个系列的典型机床进行整机及零部件的热性能分析,验证了热分析模块的机床适用性,并为其机床的热设计提供理论数据支持；研究了拓扑优化在机床关键零部件创新构型设计的适用性,建立了多种拓扑优化数学模型,基于拓扑优化技术针对多个典型部件进行了创新设计。具体包括：1)本文从经典算例和数控机床实际部件两个方面对课题组自主研发的MATO软件进行了正确性验证。两方面的验证结果都表明了MATO软件在热特性分析方面的正确性。此外,对DLH20数控机床整机的计算结果进行了分析和有价值的数据提取,为机床热特性的改进提供了指导方向。2)基于拓扑优化技术对DLH20数控机床床鞍进行了拓扑优化设计,优化过程中首先采用了静动协同优化的数学模型,模拟拓扑优化结果进行了创新构型设计。然后,针对二阶频率降低较大的问题采用了二阶频率最大化的优化数学模型,基于拓扑优化结果对初始创新构型进行了改进,使得二阶频率得到了一定的提高。最终得到的创新构型的动静力性能基本都得到了改善。3)针对DLH20数控机床床身结构复杂,且是实体与板相结合的结构形式,在优化过程中难以一次性获得较好的拓扑结构形式的问题,采用了最小柔顺性设计和频率最大化设计的两种优化数学模型,且对床身创新构型内部的肋板进行了尺寸优化设计。应用分步拓扑优化的方法可以直观地展示各个工况下的材料最优分布,且可以观察如何分布材料有利于提高某阶频率。最终得到的创新构型的静刚度得到了大幅提高。