● 摘要
随着机床制造业的快速发展，人们对数控机床性能的要求也越来越高，轻质、高速、高效和高精一直是世界各大机床生产厂商不断追求的目标。要想实现这些目标，机床必须具有良好的动静态性能。因此，在设计时有必要对机床整机及关键部件进行动静态特性分析，为提高数控机床整体性能提供理论参考依据和技术实现方法。
本文以某型五坐标卧式加工中心为研究对象，在分析总结国内外机床结构优化设计技术和动静态特性分析研究现状及研究进展的基础上，利用有限元分析软件ANSYS对立柱这一关键部件进行了结构优化设计，并对机床整机及关键部件进行了动静态特性分析，主要进行以下几个方面的研究：
首先，阐述有限元的基本思想和原理、机床结构优化设计理论及算法、机床动力学模型建立时结合面的处理方法，总结运用有限元方法进行机床动静态特性分析的基本理论及方法。
其次，采用结构拓扑优化技术对立柱部件进行优化设计。结合立柱部件的实际使用工况设定明确的优化目标并选择合理的优化方法，得到立柱的结构拓扑优化结果，最终确定了立柱部件的最佳材料分布及内部筋板布置方案。
然后，运用三维建模软件UG对机床进行三维实体建模。在导入有限元软件ANSYS前对模型进行必要的简化和修改，建立机床整机及关键部件的有限元模型。
最后，通过定义材料属性，施加载荷和边界约束条件，对整机及关键部件进行静态特性分析，得到整机及关键部件的变形云图。在此基础上有针对性地提出几个结构改进方案，并验证其改进效果。通过对整机进行模态分析，得到低阶固有频率和振型，找到机床设计的薄弱环节，避免共振现象的发生。对整机进行谐响应分析，评价机床在承受随时间周期变化载荷时的动态性能。
本文对卧式加工中心结构动静态特性分析和关键部件结构拓扑优化技术的研究可为实际工程设计提供有效的参考。