毕业设计说明书（文）中文摘
实现摇臂钻床轻量化设计应社会新形式低碳求社会市场竞争激烈前提熟练运限元分析 ANSYS Workbench三位软件SolidWorks摇臂钻床Z3080部进行结构分析拓扑优化达质量减少20终目标分析部件摇臂柱外柱
该Z3080钻床钻孔课题整体摇臂钻床轻量化设计摇臂钻床轻量化设计零部件四柱外柱摇臂底座工作量考虑课题分两部分分摇臂钻床部轻量化设计摇臂钻床部轻量化设计分两学单独完成然期间互相合作单独作业部轻量化研究外柱柱摇臂轻量化部轻量化底座轻量化外部轻量化包括整体力分析
目标完成定功求基础减少质量20左右达样目标进行系列研究处理研究处理针材料结构两方面定结构研究方
关键词 摇臂钻床 ANSYS Workbench 拓扑优化
毕业设计说明书（文）外文摘
Title Lightweight design of the upper structure of
radial drilling machine
Abstract
In order to achieve radial drilling lightweight design and in order to conform to the requirements of the new forms of lowcarbon Society in the fierce market competition social premise skilled use of finite element analysis software ANSYS Workbench and three SolidWorks the upper portion of the radial drilling machine Z3080 structural analysis and optimization to achieve the 20 reduction in the quality of the ultimate goal Analysis rocker member the inner column an outer column
The Z3080 drilling for drilling This whole issue of lightweight design is radial drilling machine radial drilling lightweight design consists of four main parts the column outside the column the rocker base From the workload considerations the subject is divided into two parts divided into an upper lightweight design and rocker arm drilling machine drilling lower lightweight design were done by two students alone The upper part of the study is lightweight outer columns are lightweight arm the lower weight is lightweight chassis in addition to the lower portion also includes a lightweight integral Forces
The goal is to complete its functional requirements based on mass reduction of around 20Treatment for both materials and structures Finally set in the research structure
Keywords Radial drilling machine tool ANSYS Workbench Topology Optimization
目录
前言 1
第章绪 2
11引言 2
12 ANSYS Workbench应现状分析 3
121 ANSYS Workbench ANSYS 典版（Mechanical APDL）区 3
122ANSYS Workbench功意义 4
123ANSYS Workbench基分析流程 4
124ANSYS国外发展现状 5
13摇臂钻床简介 5
14工程中应 6
第二章 钻床力学性分析 8
21引言 8
22HT200力学性 8
23 三维建模软件SolidWorks简介 9
24 Workbench简介 9
第三章Z3080钻床部件三维建模 11
31 Z3080钻床结构特点 11
32 Z3080部件创建模型 12
321摇臂模型创建 12
322柱三维建模 13
323外柱三维建模 13
323底座三维建模 14
第四章Z3080钻床Workbench分析操作步骤 16
41引言 16
42摇臂Workbench分析 16
43柱Workbench分析 23
44外柱Workbench分析 26
第五章Z3080钻床拓扑优化步骤 29
51引言 29
52摇臂拓扑优化步骤解析 29
53柱拓扑优化结果 30
54外柱拓扑优化结果 30
第六章Z3080钻床三维设计优化 31
61引言 31
62部件优化结果 31
621 摇臂优化 31
622柱优化 32
623外柱优化 32
63钻床部件校核 33
631摇臂校核 33
632柱校核 33
633外柱校核 33
第七章 总结展 34
参考文献 35
致谢 36
前言
文旨研究某型摇臂钻床部轻量化设计选题时候中题目通俗易懂直观清做什摇臂钻床机械产品空洞具体调查研究课题
课题整体摇臂钻床轻量化设计摇臂钻床轻量化设计零部件四柱外柱摇臂底座工作量考虑课题分两部分分摇臂钻床部轻量化设计摇臂钻床部轻量化设计分两学单独完成然期间互相合作单独作业部轻量化研究外柱柱摇臂轻量化部轻量化底座轻量化外部轻量化包括整体力分析
题目什背景产生呢？课题首先事业单位课题现济问题企事业单位研究重花少量钱买完成求功产品厂家研究象者少量成呢制造出完成客户求产品样前提研究轻量化减产Z3080钻床生产成增加市场竞争研究目重中重
课题研究时候两部分入手材料选择二便减重设计（满足钻床功前提已钻床基础减部分）开始研究课题时候第部分考虑该钻床材料选择灰铸铁专业研究方考虑更应该注重结构设计系统设计放弃研究方第二减重设计方考虑
课题研究阶段部分首先调查研究收集课题相关资料部分中课题通俗简单知网找相似文研究型号钻床轻量化文等接工作极便利然分析研究部分部分中首先需做分析钻床部分受力方够力方软件接入时候正确安置钻床零部件接拓扑优化三维软件进行减重设计
第章绪
11引言
目前情况中国重工业市场局势严峻整体说中国数量足够机床中国机床质量满意济发展求中国做完善适应时代发展绿色发展核心完成次变革？
生产利益利益发展说机床制造提高眼前利益长期发展战略定程度说社会义发展年中国机床国际竞争力越越脱轨求断发展断探索推陈出新难发展环保意识然资源已成世界流探讨问题机床重工业避免谈问题生产程中高效利资源种设计理念已越越设计者观念里根深蒂固
机床轻量化设计现代技术发展方更新方轻量化指保证机床工作效率性前提减少机床原料减少成种轻量化方前机床产业势趋更社会发展必然求
物价涨种金属材料价格水涨船高次课题研究Z3080钻床轻量化设计社会市场竞争激烈前提降低生产成提高市场竞争力文Z3080摇臂钻床满足静强度分析该型号摇臂钻床进行结构优化减少原材料消耗
具体措施表11
表11 Z3080钻床优化步骤表
序号
Z3080钻床优化步骤
1
首先三维绘图软件SolidWorksZ3080摇臂钻床零部件摇臂柱外柱底座工作箱等进行绘制
2
做零部件进行装配ANSYSSolidWorks绘制出装配图进行静力分析分析出薄弱点零部件进行样静力分析检查零件应力应变
3
ANSYSSolidWorks绘制出装配图进行静力分析分析出薄弱点零部件进行样静力分析检查零件应力应变
12 ANSYS Workbench应现状分析
ANSYS WorkbenchANSYS公司仿真模拟软件机械工程领域静力分析仿真提供模拟台着ANSYS 样核心技术结合现阶段三维软件中流技术仿真优化分析优势
121 ANSYS Workbench ANSYS 典版（Mechanical APDL）区
说ANSYS WorbenchMechanical APDL间差三点：
l ANSYS典版操作员求较高求操作员技术水熟练程度ANSYS Workbench 操作员技术水熟练程度高
l ANSYS Workbench处理模型功说ANSYS 典版力强数接口享力ANSYS Workbench 更点
l ANSYS 典版设计期检验设计合理性检验模型动力静力流体力学分析整贯穿设计始终
122ANSYS Workbench功意义
ANSYS Workbench机械领域常软件 ANSYS Workbench中仅提供ANSYS 典版样强交互功方法收取ANSYS旗部分软件优势部分软件取精华糟粕ANSYS Workbench更加完善功软件面仿真模拟提供更台
外更加值推荐点ANSYS典版缺点三维建模软件接时候数会丢失ANSYS Workbench会更加性化三维软件分析软件台数接口更加完善成熟保证仿真准确基础提高仿真效率
123ANSYS Workbench基分析流程
ANSYS Workbench提供独特CAD包括设计程系统集成结合强度结构接触分析功具体流程图11示
图11 ANSYS Workbench基分析流程图
124ANSYS国外发展现状
计算机软件硬件快速发展天限元应推广逐渐广撒网逐渐发展成熟样前提难发现限元分析方法越越工程科学领域采纳应甚越越工程设计类公司应种年新崛起分析软件
实国际早世纪60年代时候投入量力物力开发限元分析程序中著名NASA（美国国家宇航局）1966年开发NATRAN[2] (宋波 2010)限元分析技术开始落开花蓬勃发展种样限元分析软件断推出种样功强新版ANSYS WorkbenchANSYS新版
相国限元分析应处刚刚起步阶段应分析广样国形势断发展国限元分析技术适应时代潮流跻身国际前列
年限元断发展发展趋势外方：
l 简单受力分析计算力发展成拥解决复杂物理分析计算功
l 简单线性工程问题力发展成拥解决复杂非线性工程问题功
l 注重高效率求解方法高精度单元限元分析发展成更注重数处理全面分析限元功软件
l 更加注重外部软件结合效率数形势限元分析谋求身发展应时代潮流更加注重外部三维软件缝集合提高设计水效率
13摇臂钻床简介
摇臂钻床轴箱摇臂移动摇臂绕立柱回转钻床摇臂立柱移动适 应加工高度工件较工件安装工作台较工件直接放机床底座面摇 臂钻床广泛应予单件中批量生产中加工体积重量较工件孔摇臂钻床变型滑 座式万式两种滑座式摇臂钻床基型摇臂钻床底座改成滑座成滑座床身导轨移动 扩加工范围适锅炉桥梁机车车辆造船等行业万摇臂钻床摇臂作垂直回转 运动外作水移动轴箱摇臂作倾斜调整适应工件部位加工 [1] (胡 2009)
摇臂钻床摇臂绕立柱旋转轴箱移动类机床总称摇臂移动达加工高度工件功加工零件较高时直接零件放底座进行加工加工零件较时加工零件放工作台进行加工
钻床装配中柱螺栓固定底座外柱套柱外柱柱转动角度360度摇臂外柱定装配关系轴箱定装配条件装配摇臂导轨钻头安装工作箱轴箱旋转切削运动时进运动辅助运动
图12摇臂钻床结构模型简图
14工程中应
已知结构优化理方法中般结构优化方法分六种：表表12
表12结构优化分类表
结构优化分类
1
微分法变分法
2
数学规划优化法
3
准优化法
4
混合优化法
5
混合法
6
仿真生物学
越越行业需优化方法航空造船典制造业机械电子类新型制造交通建筑类制造甚石化理设计领域里优化方法越越受极重视广泛应优化设计方法应领域提供显易见济效果
机械行业说世纪80年代开始机械行业开始接受外技术结构优化设计方法定程度重视研究世纪初已取定程度成果机械行业结构优化已做卓成效普遍开展种样结构优化设计文探讨轻量化设计中国结构优化方面发展方结构优化发展方：机构参数优化降低结构成延长寿命机械结构优化外传动系统系统参数优化机械系统减震优化等
第二章 钻床力学性分析
21引言
静力分析计算固定变加载速度极缓慢载荷作结构响应考虑惯性阻尼影响[1]述述前提分析出外部载荷结构影响时时间变化载荷某时间假定约束成静载荷计算样外部载荷静载荷结构影响
般讲静力分析分析载荷包括种：
l 外部施加载荷
l 惯性力包括重力离心力等
l 载荷
l 温度载荷
文中Z3080钻床没复杂结构外形尺寸考虑线性静力分析费线性静力分析做介绍想解查阅资料
22HT200力学性
灰铸铁应变图中难出收外部载荷时候灰铸铁没明显线性受力区段弯曲曲线难出灰铸铁没屈服阶段颈缩阶段灰铸铁受拉力时候会拉断出灰铸铁种脆性材料灰铸铁拉断前应变拉断时金属延伸长度金属延伸率特
应力理中提材料断裂破坏素拉应力强度达断裂强度时候金属材料会发生断裂极限应力安全系数许应力金属材料应力雨许应力时种金属材料安全反金属材料应力许应力时时候金属材料安全会发生断裂破坏等形式实效
生活中常见采第强度理材料铸铁陶瓷玻璃等样材料
限元分析时候注意查分析零部件应力该应力达求应力较部分实现优化文探讨问题
23 三维建模软件SolidWorks简介
SolidWorks产品具特点文中纳出列成点记录：
1 新电脑系统兼容Windows开发三维设计软件
2 起直观简单操作性方便UG相少命令操作方便记忆起方便
3 软件接更加简单SolidWorks支持种格式文件软件制作出文件导出成彼格式达软件间文件接
4 SolidWorks拥工具箱通文件者说标准间SolidWorks里面直接导出制作出文件者说巨方便特机械产品中标准件齿轮螺钉等属标准件标准件较难制作SolidWorks里工具箱设计者缩短设计制作三维软件图时间
5 SolidWorks实现零件拖动
6 装配零件时SolidWorks极方便
7 SolidWorks制作曲面时制作出种复杂曲面曲面造型中实现增减倒圆等
24 Workbench简介
ANSYS Workbench作ANSYS公司推出物理协仿真环境台着ANSYS 样核心技术结合现阶段三维软件中流技术仿真优化分析优势
Workbench应优势点：
l 方便操作
l 简单易懂
l 操作员求高
l 模型接入较简单
课题选Workbench操作WorkbenchSolidWorks文件接入简单选更适合三维软件进行绘制三维模型更方便更节省时间加快工程进度
第三章Z3080钻床部件三维建模
31 Z3080钻床结构特点
Z3080钻床部件：摇臂柱外柱底座等课题目该钻床进行三维建模进行拓扑优化首先做进行三维建模
该型摇臂钻床摇臂外柱Z方度整部件说钻床优化重点该钻床摇臂该钻床摇臂结构复杂质量优化工作量较部件说工作量钻床柱结构相言较复杂柱肋板柱优化程中肋板优化关键部位相摇臂柱言外柱优化工作量外柱结构简单质量较优化起更加方便
Z3080机床整机质量约12000kg具体结构参数表表31
表31 Z3080钻床参数表
Z3080钻床参数表
项目（单位）
参数数
轴允许扭转力矩（kgm）
158
轴允许进抗力（kg）
3550
电动机功率（kw）
75
外柱加紧电动机功率（kw）
055
摇臂加紧电动机功率（kw）
025
机床重量（约）（kg）
12000
具体规格尺寸图31
图31 Z3080钻床参数尺寸
32 Z3080部件创建模型
Z3080钻床模型SolidWorks创建
321摇臂模型创建
摇臂建模模块中摇臂简单外形规格外部肋板等细节孔洞尺寸通旋转切方式绘制成型建立该模型时需应拉伸抽壳等指令完成该模型设计程应SolidWorks该摇臂进行建模建成三维模型图32
图32 Z3080钻床摇臂模型
322柱三维建模
建模柱时柱复杂部结构竖直肋板横肋板外筋等复杂结构仅柱拔模尺寸注意种拔模尺寸绘制完成绘图求建模时注意肋板结构层次序样方便面优化工作中更改模型
图33 Z3080钻床柱模型
323外柱三维建模
外柱建立较柱言简单外柱细节尺寸柱部细节壁厚等种模型需简单拉伸切够完成外柱简单螺钉孔需绘制通拉伸切够轻易举完成
建模时注意尺寸标注续优化工作中需尺寸更改外柱三维模型图34
图34 Z3080钻床外柱模型
323底座三维建模
底座种样复杂螺钉孔减重设计出薄壁肋板种情况建立底座外形通拉伸切实体建模制作出符合求底座外底座种脚螺栓等需种方法实体建模实体建模出外通矩阵方式阵列出种方法操作简单复杂重复劳动底座三维模型图35
图35 Z3080钻床底座模型
第四章Z3080钻床Workbench分析操作步骤
41引言
实体建模部分第三章节钻床Z3080部件三维建模中已详表述需注意方加强提醒详细介绍重点强调三维建模模型简化模型实际生产中摇臂钻床模型该课题中建模三维模型复杂
简化三维模型省略零件细节装配细节摒弃考虑结构特征实际中摇臂钻床部件结构太复杂分析程中必完全实际情况进行建模时候根实际情况进行建模种简化模型缩工作量简化操作步骤说必少手段
简化建模三维模型导入进ANSYS Workbench中
42摇臂Workbench分析
1材料选择
初始务书中出钻床材料灰铸铁HT200
材料具体参数表表41
表41 HT200具体参数表
灰铸铁HT200具体参数
弹性模量
E120 GPa
泊松
u028
密度
p 7190Kgm
2导入模型
开ANSYS Workbench软件展开左侧工具箱双击static structural 选项操作界面图41
图41 Static Structural 话框操作界面
图42 Mechanical操作界面
右击Satic Sructural 选项里第三选项Geometry导入绘制三维模型yaobipar 该模型三维软件SolidWorks绘制直接ANSYS Wrkbench接简单方便
导入成功双击Satic Sructural 操作界面第四选项Model弹出Mechanical操作界面操作界面右边操作框里成功导入摇臂文件图42示
3前处理
前处理阶段包括单位选择网格划分确定摇臂约束第部分中提初始务中已确定材料灰铸铁直接材料库中选择灰铸铁更改参数
a) 确定单位Mechanical操作界面部菜单中选择Units选择单位组Metric该单位组选择毫米制单位
b) 选择材料首先需回初始Project窗口材料库中点亮材料回Project菜单单击右角材料资源图43示单击中常材料（General Materials）Materials点亮时找单击单击Gray Cast Iron旁边+号该灰铸铁材料添加项目中材料栏中选择灰铸铁材料表41更改灰铸铁参数回项目界面Model模块中单击Refresh钮前导入摇臂项目中插入刚导入灰铸铁材料回Mechanical窗口中时候单击树形目录选择yaibipar选择材料灰铸铁材料点亮图43示材料Refresh图44图45示更改摇臂模型材料
图43材料选择
图44材料刷新
图45摇臂材料更改
c) 网格划分网格划分静力分析中重步骤该步骤直接影响零部件受力分析结果选择树形目录中mesh选项选择General mesh （动网格划分）选择较Relevance值具体操作步骤图46网格划分结果图47示
图46网格划分操作步骤
图47 网格划分操作结果
d) 添加约束首先添加Fixed Support选择摇臂左侧圆柱面约束面设定Z方Free设定结果图48添加远程力(Remote Force)种远程力直接施加原点少力矩相更快捷添加远程力图49瞬时力矩（Moment）加载结果图410注意固定约束受力时候更改受力方受理位置远程力瞬时扭矩表31中列出分应轴允许扭转力矩（kgm）轴允许进抗力（kg）注意单位统
图48固定约束
图49 Remote force
图410 Moment
4求解结果
求解单击Solution菜单中单击Deformation选择TotalEquivalent单击菜单中solve求结果图18图18（a）Total Deformation 图18(b)Equivalent Stress
（a）Total Deformation
(b)Equivalent Stress
图411求解结果
43柱Workbench分析
柱Workbench分析步骤42摇臂分析步骤致样详细介绍表中列出Workbench柱分析固定约束结果图结构应图表42
表42固定约束结果图结构应图
固定约束结果图结构应图
固定约束
圆柱约束
固定约束
远程载荷
瞬时扭矩
求解结果
整体求解结果
应力图
44外柱Workbench分析
操作步骤摇臂Workbench分析操作结果表表43
表43外柱固定约束结果图结构应图
固定约束结果图结构应图
固定约束
圆柱约束
固定约束
远程载荷
瞬时扭矩
求解结果
整体求解结果
流体力学求解结果
第五章Z3080钻床拓扑优化步骤
51引言
拓扑优化轻量化设计重步骤静力分析基础优化减零部件质量真正做节省材料降低生产成
52摇臂拓扑优化步骤解析
1) 开ANSYS Workbench分析软件开 Shape Optimization选项
2) 导入模型Shape Optimization中导入模型导入步骤分析步骤致
3) 更改文件材料更改材料操作步骤分析部分
4) 划分网格操作步骤静力分析部分
5) 施加载荷固定约束具体操作见静力分析部分
6) 确定求解参数点击 求解选择Insert中Shape Finder定义优化目标Target Reduction20
7) 求解点击solve结果结果图51图中示橘红色Remove部分挖部分金属色Keep部分保留部分浅黄色Marginal部分中间部分部件满足求情况删部分根优化结果酌情SolidWorks里面修改初始模型
图51 摇臂拓扑优化结果
53柱拓扑优化结果
柱拓扑优化操作步骤具体列出列出柱拓扑优化结果图52
图52柱拓扑优化结果
54外柱拓扑优化结果
外柱拓扑优化操作步骤具体列出列出外柱拓扑优化结果图53
图53外柱拓扑优化结果
第六章Z3080钻床三维设计优化
61引言
三维设计优化回三维软件三维软件优化零部件结合Workbench分析拓扑优化结果REMOVE 部分保留KEEP部分
62部件优化结果
621 摇臂优化
摇臂优化中针摇臂拓扑优化结构分析出摇臂横杆孔摇臂左侧圆柱外围实现减重摇臂右端结构实现壁厚较减重结构图图61
图61摇臂三维结构优化
622柱优化
柱拓扑分析中难出柱横肋板优化空间柱壁厚实现减重图62柱优化模型柱三维模型进行肋板壁厚减重设计
图62柱三维结构优化
623外柱优化
外柱拓扑优化结果中出底部外圈优化空间该零件优化部分整壁外轮廓扩4mm优化结果结果图63
图63外柱三维结构优化
63钻床部件校核
优化三维模型进行次Workbench 分析分析步骤42摇臂Workbench分析处详细说明
631摇臂校核
摇臂校核图64校核时受力点受力42 摇臂Workbench分析
（a） 摇臂应变图
（b） 摇臂应力图
图64摇臂校核
632柱校核
（a） 柱应变图
（b） 柱应力图
图65柱校核
633外柱校核
（a） 外柱应变图
（b） 外柱应力图
图66外柱校核
第七章 总结展
次课题中讨Z3080钻床轻量化设计文介绍次课题中运知识关种应软硬件介绍等次文重点
次课题结束时候圆满解决课题目成功Z3080钻床减重20优化钻床模型优化制作出制作二维模型外中间分析步骤文件优化步骤文件保存
次课题济发展社会发展方面定影响济发展方面轻量化设计够减少材料损耗疑够减少济支出提高产品竞争力社会发展方面轻量化设计减少材料浪费保证社会发展时保证绿色
着科技发展绿色优化济成时代导发展思路次课题样思想指导价值引导应运生然味追求济利益效益保证产品功质量前提探求济成缩减样机床适合市场竞争机床样机床会生产厂家制造价值社会发展提供保障
然次毕业设计中足：次毕业设计中ANSYS分析简单静强度分析进行没动力分析没复杂模态分析太片面化
参考文献
[1]胡炳根Z3025×10B型摇臂钻床限元分析优化
[2]宋波 铜包装线整形机刚度研究 兰州理工学硕士文
[3]沈乐年 刘锋 机械设计基础 第版 北京：清华学出版社 1996
[4]黄文灿 陈锐芬 机械设计基础 第版 北京：机械工业出版社 1992
[5]赵文军 机械原理 第版 西安：西安交通学出版社 2003
[6]孙桓 傅绍 机械原理 第四版 北京：高等教育出版社 1989
[7]杨明忠 朱家诚 机械设计 第版 武汉：武汉理工学出版社 2001
[8]黄锡恺 郑文炜 机械原理 第六版 北京：高等教育出版社 1995
[9]濮良贵 纪名刚 机械设计 第六版 北京：高等教育出版社 1989
[10]刘光浩 林森 黄 伟 基 APDL 数控钻床床身轻量化设计研究组合机床 动化加工技术 第1期
[11]张宏博 薄瑞峰 游红 深孔钻床床身拓扑轻量化设计机械设计制造第1期
[12]郭银赛 张毅 Z8016深孔钻床床身轻量化研究 制造业动
[13]秦伟 机械设计基础 第版 北京：机械工业出版社 2004
[14]阎敏 王文博 机械设计基础 第版 北京：机械工业出版社 1999
[15]Bin He & Wen Tang & Shan Huang & Shuangchao Hou & Hongxia Cai Towards lowcarbon product architecture using structural optimization for lightweight
[16]Pengzhou LiJie LiuShousheng Liu Topological VariableDensity Algorithm Based Design Method for Lightweight Machine Tools Electrical Power Systems and Computers
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实现摇臂钻床轻量化设计应社会新形式低碳求社会市场竞争激烈前提熟练运限元分析 ANSYS Workbench三位软件SolidWorks摇臂钻床Z3080部进行结构分析拓扑优化达质量减少20终目标分析部件摇臂柱外柱
该Z3080钻床钻孔课题整体摇臂钻床轻量化设计摇臂钻床轻量化设计零部件四柱外柱摇臂底座工作量考虑课题分两部分分摇臂钻床部轻量化设计摇臂钻床部轻量化设计分两学单独完成然期间互相合作单独作业部轻量化研究外柱柱摇臂轻量化部轻量化底座轻量化外部轻量化包括整体力分析
目标完成定功求基础减少质量20左右达样目标进行系列研究处理研究处理针材料结构两方面定结构研究方
关键词 摇臂钻床 ANSYS Workbench 拓扑优化
毕业设计说明书（文）外文摘
Title Lightweight design of the upper structure of
radial drilling machine
Abstract
In order to achieve radial drilling lightweight design and in order to conform to the requirements of the new forms of lowcarbon Society in the fierce market competition social premise skilled use of finite element analysis software ANSYS Workbench and three SolidWorks the upper portion of the radial drilling machine Z3080 structural analysis and optimization to achieve the 20 reduction in the quality of the ultimate goal Analysis rocker member the inner column an outer column
The Z3080 drilling for drilling This whole issue of lightweight design is radial drilling machine radial drilling lightweight design consists of four main parts the column outside the column the rocker base From the workload considerations the subject is divided into two parts divided into an upper lightweight design and rocker arm drilling machine drilling lower lightweight design were done by two students alone The upper part of the study is lightweight outer columns are lightweight arm the lower weight is lightweight chassis in addition to the lower portion also includes a lightweight integral Forces
The goal is to complete its functional requirements based on mass reduction of around 20Treatment for both materials and structures Finally set in the research structure
Keywords Radial drilling machine tool ANSYS Workbench Topology Optimization
目录
前言 1
第章绪 2
11引言 2
12 ANSYS Workbench应现状分析 3
121 ANSYS Workbench ANSYS 典版（Mechanical APDL）区 3
122ANSYS Workbench功意义 4
123ANSYS Workbench基分析流程 4
124ANSYS国外发展现状 5
13摇臂钻床简介 5
14工程中应 6
第二章 钻床力学性分析 8
21引言 8
22HT200力学性 8
23 三维建模软件SolidWorks简介 9
24 Workbench简介 9
第三章Z3080钻床部件三维建模 11
31 Z3080钻床结构特点 11
32 Z3080部件创建模型 12
321摇臂模型创建 12
322柱三维建模 13
323外柱三维建模 13
323底座三维建模 14
第四章Z3080钻床Workbench分析操作步骤 16
41引言 16
42摇臂Workbench分析 16
43柱Workbench分析 23
44外柱Workbench分析 26
第五章Z3080钻床拓扑优化步骤 29
51引言 29
52摇臂拓扑优化步骤解析 29
53柱拓扑优化结果 30
54外柱拓扑优化结果 30
第六章Z3080钻床三维设计优化 31
61引言 31
62部件优化结果 31
621 摇臂优化 31
622柱优化 32
623外柱优化 32
63钻床部件校核 33
631摇臂校核 33
632柱校核 33
633外柱校核 33
第七章 总结展 34
参考文献 35
致谢 36
前言
文旨研究某型摇臂钻床部轻量化设计选题时候中题目通俗易懂直观清做什摇臂钻床机械产品空洞具体调查研究课题
课题整体摇臂钻床轻量化设计摇臂钻床轻量化设计零部件四柱外柱摇臂底座工作量考虑课题分两部分分摇臂钻床部轻量化设计摇臂钻床部轻量化设计分两学单独完成然期间互相合作单独作业部轻量化研究外柱柱摇臂轻量化部轻量化底座轻量化外部轻量化包括整体力分析
题目什背景产生呢？课题首先事业单位课题现济问题企事业单位研究重花少量钱买完成求功产品厂家研究象者少量成呢制造出完成客户求产品样前提研究轻量化减产Z3080钻床生产成增加市场竞争研究目重中重
课题研究时候两部分入手材料选择二便减重设计（满足钻床功前提已钻床基础减部分）开始研究课题时候第部分考虑该钻床材料选择灰铸铁专业研究方考虑更应该注重结构设计系统设计放弃研究方第二减重设计方考虑
课题研究阶段部分首先调查研究收集课题相关资料部分中课题通俗简单知网找相似文研究型号钻床轻量化文等接工作极便利然分析研究部分部分中首先需做分析钻床部分受力方够力方软件接入时候正确安置钻床零部件接拓扑优化三维软件进行减重设计
第章绪
11引言
目前情况中国重工业市场局势严峻整体说中国数量足够机床中国机床质量满意济发展求中国做完善适应时代发展绿色发展核心完成次变革？
生产利益利益发展说机床制造提高眼前利益长期发展战略定程度说社会义发展年中国机床国际竞争力越越脱轨求断发展断探索推陈出新难发展环保意识然资源已成世界流探讨问题机床重工业避免谈问题生产程中高效利资源种设计理念已越越设计者观念里根深蒂固
机床轻量化设计现代技术发展方更新方轻量化指保证机床工作效率性前提减少机床原料减少成种轻量化方前机床产业势趋更社会发展必然求
物价涨种金属材料价格水涨船高次课题研究Z3080钻床轻量化设计社会市场竞争激烈前提降低生产成提高市场竞争力文Z3080摇臂钻床满足静强度分析该型号摇臂钻床进行结构优化减少原材料消耗
具体措施表11
表11 Z3080钻床优化步骤表
序号
Z3080钻床优化步骤
1
首先三维绘图软件SolidWorksZ3080摇臂钻床零部件摇臂柱外柱底座工作箱等进行绘制
2
做零部件进行装配ANSYSSolidWorks绘制出装配图进行静力分析分析出薄弱点零部件进行样静力分析检查零件应力应变
3
ANSYSSolidWorks绘制出装配图进行静力分析分析出薄弱点零部件进行样静力分析检查零件应力应变
12 ANSYS Workbench应现状分析
ANSYS WorkbenchANSYS公司仿真模拟软件机械工程领域静力分析仿真提供模拟台着ANSYS 样核心技术结合现阶段三维软件中流技术仿真优化分析优势
121 ANSYS Workbench ANSYS 典版（Mechanical APDL）区
说ANSYS WorbenchMechanical APDL间差三点：
l ANSYS典版操作员求较高求操作员技术水熟练程度ANSYS Workbench 操作员技术水熟练程度高
l ANSYS Workbench处理模型功说ANSYS 典版力强数接口享力ANSYS Workbench 更点
l ANSYS 典版设计期检验设计合理性检验模型动力静力流体力学分析整贯穿设计始终
122ANSYS Workbench功意义
ANSYS Workbench机械领域常软件 ANSYS Workbench中仅提供ANSYS 典版样强交互功方法收取ANSYS旗部分软件优势部分软件取精华糟粕ANSYS Workbench更加完善功软件面仿真模拟提供更台
外更加值推荐点ANSYS典版缺点三维建模软件接时候数会丢失ANSYS Workbench会更加性化三维软件分析软件台数接口更加完善成熟保证仿真准确基础提高仿真效率
123ANSYS Workbench基分析流程
ANSYS Workbench提供独特CAD包括设计程系统集成结合强度结构接触分析功具体流程图11示
图11 ANSYS Workbench基分析流程图
124ANSYS国外发展现状
计算机软件硬件快速发展天限元应推广逐渐广撒网逐渐发展成熟样前提难发现限元分析方法越越工程科学领域采纳应甚越越工程设计类公司应种年新崛起分析软件
实国际早世纪60年代时候投入量力物力开发限元分析程序中著名NASA（美国国家宇航局）1966年开发NATRAN[2] (宋波 2010)限元分析技术开始落开花蓬勃发展种样限元分析软件断推出种样功强新版ANSYS WorkbenchANSYS新版
相国限元分析应处刚刚起步阶段应分析广样国形势断发展国限元分析技术适应时代潮流跻身国际前列
年限元断发展发展趋势外方：
l 简单受力分析计算力发展成拥解决复杂物理分析计算功
l 简单线性工程问题力发展成拥解决复杂非线性工程问题功
l 注重高效率求解方法高精度单元限元分析发展成更注重数处理全面分析限元功软件
l 更加注重外部软件结合效率数形势限元分析谋求身发展应时代潮流更加注重外部三维软件缝集合提高设计水效率
13摇臂钻床简介
摇臂钻床轴箱摇臂移动摇臂绕立柱回转钻床摇臂立柱移动适 应加工高度工件较工件安装工作台较工件直接放机床底座面摇 臂钻床广泛应予单件中批量生产中加工体积重量较工件孔摇臂钻床变型滑 座式万式两种滑座式摇臂钻床基型摇臂钻床底座改成滑座成滑座床身导轨移动 扩加工范围适锅炉桥梁机车车辆造船等行业万摇臂钻床摇臂作垂直回转 运动外作水移动轴箱摇臂作倾斜调整适应工件部位加工 [1] (胡 2009)
摇臂钻床摇臂绕立柱旋转轴箱移动类机床总称摇臂移动达加工高度工件功加工零件较高时直接零件放底座进行加工加工零件较时加工零件放工作台进行加工
钻床装配中柱螺栓固定底座外柱套柱外柱柱转动角度360度摇臂外柱定装配关系轴箱定装配条件装配摇臂导轨钻头安装工作箱轴箱旋转切削运动时进运动辅助运动
图12摇臂钻床结构模型简图
14工程中应
已知结构优化理方法中般结构优化方法分六种：表表12
表12结构优化分类表
结构优化分类
1
微分法变分法
2
数学规划优化法
3
准优化法
4
混合优化法
5
混合法
6
仿真生物学
越越行业需优化方法航空造船典制造业机械电子类新型制造交通建筑类制造甚石化理设计领域里优化方法越越受极重视广泛应优化设计方法应领域提供显易见济效果
机械行业说世纪80年代开始机械行业开始接受外技术结构优化设计方法定程度重视研究世纪初已取定程度成果机械行业结构优化已做卓成效普遍开展种样结构优化设计文探讨轻量化设计中国结构优化方面发展方结构优化发展方：机构参数优化降低结构成延长寿命机械结构优化外传动系统系统参数优化机械系统减震优化等
第二章 钻床力学性分析
21引言
静力分析计算固定变加载速度极缓慢载荷作结构响应考虑惯性阻尼影响[1]述述前提分析出外部载荷结构影响时时间变化载荷某时间假定约束成静载荷计算样外部载荷静载荷结构影响
般讲静力分析分析载荷包括种：
l 外部施加载荷
l 惯性力包括重力离心力等
l 载荷
l 温度载荷
文中Z3080钻床没复杂结构外形尺寸考虑线性静力分析费线性静力分析做介绍想解查阅资料
22HT200力学性
灰铸铁应变图中难出收外部载荷时候灰铸铁没明显线性受力区段弯曲曲线难出灰铸铁没屈服阶段颈缩阶段灰铸铁受拉力时候会拉断出灰铸铁种脆性材料灰铸铁拉断前应变拉断时金属延伸长度金属延伸率特
应力理中提材料断裂破坏素拉应力强度达断裂强度时候金属材料会发生断裂极限应力安全系数许应力金属材料应力雨许应力时种金属材料安全反金属材料应力许应力时时候金属材料安全会发生断裂破坏等形式实效
生活中常见采第强度理材料铸铁陶瓷玻璃等样材料
限元分析时候注意查分析零部件应力该应力达求应力较部分实现优化文探讨问题
23 三维建模软件SolidWorks简介
SolidWorks产品具特点文中纳出列成点记录：
1 新电脑系统兼容Windows开发三维设计软件
2 起直观简单操作性方便UG相少命令操作方便记忆起方便
3 软件接更加简单SolidWorks支持种格式文件软件制作出文件导出成彼格式达软件间文件接
4 SolidWorks拥工具箱通文件者说标准间SolidWorks里面直接导出制作出文件者说巨方便特机械产品中标准件齿轮螺钉等属标准件标准件较难制作SolidWorks里工具箱设计者缩短设计制作三维软件图时间
5 SolidWorks实现零件拖动
6 装配零件时SolidWorks极方便
7 SolidWorks制作曲面时制作出种复杂曲面曲面造型中实现增减倒圆等
24 Workbench简介
ANSYS Workbench作ANSYS公司推出物理协仿真环境台着ANSYS 样核心技术结合现阶段三维软件中流技术仿真优化分析优势
Workbench应优势点：
l 方便操作
l 简单易懂
l 操作员求高
l 模型接入较简单
课题选Workbench操作WorkbenchSolidWorks文件接入简单选更适合三维软件进行绘制三维模型更方便更节省时间加快工程进度
第三章Z3080钻床部件三维建模
31 Z3080钻床结构特点
Z3080钻床部件：摇臂柱外柱底座等课题目该钻床进行三维建模进行拓扑优化首先做进行三维建模
该型摇臂钻床摇臂外柱Z方度整部件说钻床优化重点该钻床摇臂该钻床摇臂结构复杂质量优化工作量较部件说工作量钻床柱结构相言较复杂柱肋板柱优化程中肋板优化关键部位相摇臂柱言外柱优化工作量外柱结构简单质量较优化起更加方便
Z3080机床整机质量约12000kg具体结构参数表表31
表31 Z3080钻床参数表
Z3080钻床参数表
项目（单位）
参数数
轴允许扭转力矩（kgm）
158
轴允许进抗力（kg）
3550
电动机功率（kw）
75
外柱加紧电动机功率（kw）
055
摇臂加紧电动机功率（kw）
025
机床重量（约）（kg）
12000
具体规格尺寸图31
图31 Z3080钻床参数尺寸
32 Z3080部件创建模型
Z3080钻床模型SolidWorks创建
321摇臂模型创建
摇臂建模模块中摇臂简单外形规格外部肋板等细节孔洞尺寸通旋转切方式绘制成型建立该模型时需应拉伸抽壳等指令完成该模型设计程应SolidWorks该摇臂进行建模建成三维模型图32
图32 Z3080钻床摇臂模型
322柱三维建模
建模柱时柱复杂部结构竖直肋板横肋板外筋等复杂结构仅柱拔模尺寸注意种拔模尺寸绘制完成绘图求建模时注意肋板结构层次序样方便面优化工作中更改模型
图33 Z3080钻床柱模型
323外柱三维建模
外柱建立较柱言简单外柱细节尺寸柱部细节壁厚等种模型需简单拉伸切够完成外柱简单螺钉孔需绘制通拉伸切够轻易举完成
建模时注意尺寸标注续优化工作中需尺寸更改外柱三维模型图34
图34 Z3080钻床外柱模型
323底座三维建模
底座种样复杂螺钉孔减重设计出薄壁肋板种情况建立底座外形通拉伸切实体建模制作出符合求底座外底座种脚螺栓等需种方法实体建模实体建模出外通矩阵方式阵列出种方法操作简单复杂重复劳动底座三维模型图35
图35 Z3080钻床底座模型
第四章Z3080钻床Workbench分析操作步骤
41引言
实体建模部分第三章节钻床Z3080部件三维建模中已详表述需注意方加强提醒详细介绍重点强调三维建模模型简化模型实际生产中摇臂钻床模型该课题中建模三维模型复杂
简化三维模型省略零件细节装配细节摒弃考虑结构特征实际中摇臂钻床部件结构太复杂分析程中必完全实际情况进行建模时候根实际情况进行建模种简化模型缩工作量简化操作步骤说必少手段
简化建模三维模型导入进ANSYS Workbench中
42摇臂Workbench分析
1材料选择
初始务书中出钻床材料灰铸铁HT200
材料具体参数表表41
表41 HT200具体参数表
灰铸铁HT200具体参数
弹性模量
E120 GPa
泊松
u028
密度
p 7190Kgm
2导入模型
开ANSYS Workbench软件展开左侧工具箱双击static structural 选项操作界面图41
图41 Static Structural 话框操作界面
图42 Mechanical操作界面
右击Satic Sructural 选项里第三选项Geometry导入绘制三维模型yaobipar 该模型三维软件SolidWorks绘制直接ANSYS Wrkbench接简单方便
导入成功双击Satic Sructural 操作界面第四选项Model弹出Mechanical操作界面操作界面右边操作框里成功导入摇臂文件图42示
3前处理
前处理阶段包括单位选择网格划分确定摇臂约束第部分中提初始务中已确定材料灰铸铁直接材料库中选择灰铸铁更改参数
a) 确定单位Mechanical操作界面部菜单中选择Units选择单位组Metric该单位组选择毫米制单位
b) 选择材料首先需回初始Project窗口材料库中点亮材料回Project菜单单击右角材料资源图43示单击中常材料（General Materials）Materials点亮时找单击单击Gray Cast Iron旁边+号该灰铸铁材料添加项目中材料栏中选择灰铸铁材料表41更改灰铸铁参数回项目界面Model模块中单击Refresh钮前导入摇臂项目中插入刚导入灰铸铁材料回Mechanical窗口中时候单击树形目录选择yaibipar选择材料灰铸铁材料点亮图43示材料Refresh图44图45示更改摇臂模型材料
图43材料选择
图44材料刷新
图45摇臂材料更改
c) 网格划分网格划分静力分析中重步骤该步骤直接影响零部件受力分析结果选择树形目录中mesh选项选择General mesh （动网格划分）选择较Relevance值具体操作步骤图46网格划分结果图47示
图46网格划分操作步骤
图47 网格划分操作结果
d) 添加约束首先添加Fixed Support选择摇臂左侧圆柱面约束面设定Z方Free设定结果图48添加远程力(Remote Force)种远程力直接施加原点少力矩相更快捷添加远程力图49瞬时力矩（Moment）加载结果图410注意固定约束受力时候更改受力方受理位置远程力瞬时扭矩表31中列出分应轴允许扭转力矩（kgm）轴允许进抗力（kg）注意单位统
图48固定约束
图49 Remote force
图410 Moment
4求解结果
求解单击Solution菜单中单击Deformation选择TotalEquivalent单击菜单中solve求结果图18图18（a）Total Deformation 图18(b)Equivalent Stress
（a）Total Deformation
(b)Equivalent Stress
图411求解结果
43柱Workbench分析
柱Workbench分析步骤42摇臂分析步骤致样详细介绍表中列出Workbench柱分析固定约束结果图结构应图表42
表42固定约束结果图结构应图
固定约束结果图结构应图
固定约束
圆柱约束
固定约束
远程载荷
瞬时扭矩
求解结果
整体求解结果
应力图
44外柱Workbench分析
操作步骤摇臂Workbench分析操作结果表表43
表43外柱固定约束结果图结构应图
固定约束结果图结构应图
固定约束
圆柱约束
固定约束
远程载荷
瞬时扭矩
求解结果
整体求解结果
流体力学求解结果
第五章Z3080钻床拓扑优化步骤
51引言
拓扑优化轻量化设计重步骤静力分析基础优化减零部件质量真正做节省材料降低生产成
52摇臂拓扑优化步骤解析
1) 开ANSYS Workbench分析软件开 Shape Optimization选项
2) 导入模型Shape Optimization中导入模型导入步骤分析步骤致
3) 更改文件材料更改材料操作步骤分析部分
4) 划分网格操作步骤静力分析部分
5) 施加载荷固定约束具体操作见静力分析部分
6) 确定求解参数点击 求解选择Insert中Shape Finder定义优化目标Target Reduction20
7) 求解点击solve结果结果图51图中示橘红色Remove部分挖部分金属色Keep部分保留部分浅黄色Marginal部分中间部分部件满足求情况删部分根优化结果酌情SolidWorks里面修改初始模型
图51 摇臂拓扑优化结果
53柱拓扑优化结果
柱拓扑优化操作步骤具体列出列出柱拓扑优化结果图52
图52柱拓扑优化结果
54外柱拓扑优化结果
外柱拓扑优化操作步骤具体列出列出外柱拓扑优化结果图53
图53外柱拓扑优化结果
第六章Z3080钻床三维设计优化
61引言
三维设计优化回三维软件三维软件优化零部件结合Workbench分析拓扑优化结果REMOVE 部分保留KEEP部分
62部件优化结果
621 摇臂优化
摇臂优化中针摇臂拓扑优化结构分析出摇臂横杆孔摇臂左侧圆柱外围实现减重摇臂右端结构实现壁厚较减重结构图图61
图61摇臂三维结构优化
622柱优化
柱拓扑分析中难出柱横肋板优化空间柱壁厚实现减重图62柱优化模型柱三维模型进行肋板壁厚减重设计
图62柱三维结构优化
623外柱优化
外柱拓扑优化结果中出底部外圈优化空间该零件优化部分整壁外轮廓扩4mm优化结果结果图63
图63外柱三维结构优化
63钻床部件校核
优化三维模型进行次Workbench 分析分析步骤42摇臂Workbench分析处详细说明
631摇臂校核
摇臂校核图64校核时受力点受力42 摇臂Workbench分析
（a） 摇臂应变图
（b） 摇臂应力图
图64摇臂校核
632柱校核
（a） 柱应变图
（b） 柱应力图
图65柱校核
633外柱校核
（a） 外柱应变图
（b） 外柱应力图
图66外柱校核
第七章 总结展
次课题中讨Z3080钻床轻量化设计文介绍次课题中运知识关种应软硬件介绍等次文重点
次课题结束时候圆满解决课题目成功Z3080钻床减重20优化钻床模型优化制作出制作二维模型外中间分析步骤文件优化步骤文件保存
次课题济发展社会发展方面定影响济发展方面轻量化设计够减少材料损耗疑够减少济支出提高产品竞争力社会发展方面轻量化设计减少材料浪费保证社会发展时保证绿色
着科技发展绿色优化济成时代导发展思路次课题样思想指导价值引导应运生然味追求济利益效益保证产品功质量前提探求济成缩减样机床适合市场竞争机床样机床会生产厂家制造价值社会发展提供保障
然次毕业设计中足：次毕业设计中ANSYS分析简单静强度分析进行没动力分析没复杂模态分析太片面化
参考文献
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