基于复合材料的高速机床组合结构热力耦合条件下多尺度多变量集成设计

Performance optimizations of machine tool structure with cast iron or steel have been close to the extreme, but the processing of high speed and high precision are required to further improve the performance, reduce cost at the same time. Design and manufacture of machine tool foundation with sandwich composite structures is an effective way to solve this contradiction, whose face structures are made of metallic material and core structures are made of fiber reinforced composite materials. To the hybrid structure, traditional design experience is difficult to continue because the material designability and the performance characteristics of the machine tools with multi-scale and multi variables. The research is proposed for the integrated design of machine tools based on composite material with multi-scale and multivariate under thermo mechanical coupling effects. Based on the designability of the micro structure, the interaction of machine tool structure and material property, the multi-scale intrinsic properties of the structure and material is researched, and the relationship between the performance and multivariable is established. By the means, the selection for size, shape, topology and the ratio of materials, fiber type and quantity and scale at multiple scales on the structure and materials is realized, the final structure of high strength, lightweight is obtained, the dynamic, static, thermal stiffness and machining accuracy of machine tool is satisfied. Considering the interaction of macro structure and micro materials, this project is to explore a new structure with good manufacturability, collaborative optimization design of structure and material, and a theoretical basis for the development of new products is provided.

以铸铁或钢材为主的机床结构性能优化已接近极值，而高速高精的加工却要求机床性能进一步提高，同时降低成本。以纤维增强的复合材料为内核，金属材料为外围框架的组合结构制造机床基础件，是解决这一矛盾的有效途径。由于其材料的可设计性，这种结构组成的机床，整机性能具有多尺度多变量的特征，传统设计经验难以适用。因此提出基于复合材料的高速机床组合结构热力耦合条件下多尺度多变量集成设计的研究，基于复合材料微观结构的可设计性,综合机床结构与材料性能的相互影响,研究结构和材料的多尺度本征特性，建立整机工作特性和多尺度变量的关系模型，在结构和材料的多个尺度上实现尺寸、形状、拓扑及材料的配比、纤维种类和数量以及尺度的选择,最终获得高强、轻质的结构，满足机床动、静、热刚度和加工精度。本项目探索一条具有良好的可制造性,同时考虑宏观结构与微观材料相互影响,协同优化设计结构与材料的新方法，为新机床产品的开发提供了理论依据。

本项目基于复合材料微观结构的可设计性，研究从外层金属框架的宏观尺寸到内层材料的微观结构跨尺度的机床相关变量，建立以静、动、热刚度为目标的结构-复合材料的一体化优化设计方法，为机械结构优化设计奠定理论基础。本项目从四个方面进行研究：. 首先针对机床局部结构优化难以满足整体性能最优的问题，提出了多层集成设计分析的方法。通过模态实验、灵敏度分析确定元结构和关键部件的敏感尺寸作为设计参数进行优化，研究了联接部件的尺寸和分布形式。并通过模态匹配、切削频率禁区动力学分析，实现了机床从元结构、关键部件、联接部件、整机多个层次的集成设计分析。. 在此基础上，对比纤维增强聚合物混凝土在机床基础件应用的优缺点，提出了采用掺杂纤维改良的轻骨料混凝土增强机理方法，构建了以外层钢板和内层混杂纤维增强混凝土材料的复合结构，并从微观角度分析了纤维尺度对机床床身动态特性的影响。 . 进一步的，针对复合材料的机床床身组合式结构，分别从组合结构的外层钢板厚度、预埋导轨进行设计与优化，分析了组合结构的静、动态刚度和热稳定性。并对内外层材料之间连接件的连接性能进行研究确定了连接件的型号及布局，实现了组合结构的工作可靠性。. 最后，基于结构、材料的可设计性，从宏观角度提出了一种类蜂窝胞元结构，分析了应用该结构重新设计的加工中心立柱的静刚度、动刚度及散热性。而为了提高机床运动时的加工精度，提出了一种采用树脂混凝土内嵌钢结构制作精密机床液体静压导轨的组合式滑块，并建立了机床的空间固有频率预测模型，对机床整机进行路径灵敏度分析和位姿识别，实现了以机床最差位姿状态进行各移动件的质量匹配优化。. 在本项目的资助下共培养博士研究生1名，硕士研究生15名（2人已获得硕士学位），在国内重要学术刊物、学术会议发表9 篇；申请发明专利一项，授权一项；另有录用待发期刊论文5篇，2篇审稿中。