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随着数控技术的快速发展,数控机床被广泛应用于航空航天、工程机械、交通运输等领域。为了适应装备制造业领域对零件几何精度和表面加工质量的生产要求,同时提高企业在市场中的竞争力和节省生产成本的客观需要,以及克服传统的经验或类比设计方法所设计结构笨重等的缺点,在保证数控机床静动态特性的条件下,对机床关键部件进行轻量化设计的研究变得越来越重要。本文基于ANSYS有限元分析软件和灵敏度分析方法,以某型号龙门加工中心横梁结构为例进行了轻量化设计的研究。首先,运用三维SolidWorks绘图软件建立了龙门加工中心整机三维模型,并对由横梁、滑座、滑枕等组成的横梁组件进行了静动态特性有限元分析,根据分析结果,确定了横梁为下一步轻量化设计的研究对象。其次,分析横梁的受力和边界条件,对横梁结构进行静动态特性有限元分析。根据横梁的实际受力情况,建立横梁结构的力学模型,计算横梁的受力;运用ANSYS对横梁结构进行静动态特性有限元分析,得到了横梁结构的总变形量、应力和前六阶模态频率及振型。再次,对横梁结构进行改变筋板类型的轻量化设计。在原横梁结构基础上,设计了井型筋板(原横梁结构)、十型筋板、X型筋板、V型筋板四种横梁结构方案;并运用ANSYS软件综合比较它们的静变形量、应力、质量和前六阶模态频率及振型情况,确定出V型筋板横梁结构为四种方案中最优方案,较原结构不仅静动态特性有较大提高,而且质量减少了18kg。然后,对V型筋板横梁结构进行了关键尺寸灵敏度分析,采用极端尺寸调整方法进行横梁结构轻量化设计。运用有限元分析软件对横梁结构关键变量进行灵敏度分析,利用最小二乘法原理,得出了横梁结构关键尺寸静变形量、一阶模态频率和重量的灵敏度大小;采用极端尺寸调整方法,综合考虑横梁结构的静动态特性,得出了横梁结构的轻量化设计方案,使横梁结构质量又减少了152kg。最终实现了在静动态特性基本不变的情况下,横梁结构质量减少了170kg,降幅为3.6%。最后,对轻量化后横梁组件进行了静变形量仿真分析与试验测试,通过实验结果对比,验证了横梁结构轻量化设计的可靠性。同时也为机床其他结构的轻量化设计提供了可借鉴的方法。