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轻量化搅拌摩擦连接设备优化设计
| 论文题名： | 轻量化搅拌摩擦连接设备优化设计 |
| 关键词： | 搅拌摩擦连接设备;轻量化;薄板连接;多目标优化;拓扑优化 |
| 摘要： | 随着现代工业技术的快速发展，为了减轻产品重量、节约能源与成本，产品的轻量化、绿色环保已经成为设计制造业的主要发展方向，同时为了实现产品结构的轻量化，通常采用密度低，强度高的薄板材料。搅拌摩擦连接技术具有连接性能好、绿色环保等特点，在轻量化结构件的连接中具有明显优势，传统的搅拌摩擦连接设备多为重型设备且只适用于厚为2mm以上薄板的连接。因此本文采用数值模拟的方法，设计一台顶锻力小、转速高、刚性好、体积小的轻量化搅拌摩擦连接设备，来解决厚为1mm以下薄板的连接问题。本文主要研究工作及取得成果如下: (1)设计了轻量化搅拌摩擦连接设备主体机械机构 分析了搅拌摩擦连接设备的总体需求，并确定了其主要技术参数，按照技术参数对设备整体进行设计。设计进给系统与主轴结构，并对电主轴及驱动单元计算和选型。设计了具有加热和冷却功能的工作台。 (2)分析了设备关键部件及整机的静动态特性 构建了设备的有限元分析模型。深入研究了横梁、立柱、主轴等关键部件及设备整机的静动态性能。确定了横梁及主轴部件的动静刚度均符合设计要求，而立柱与设备整机动态性能相对较弱，为结构优化奠定理论基础和依据。 (3)对设备关键部件进行优化设计 以横梁的质量、变形和一阶频率为目标，关键尺寸作为影响因素利用多目标优化法分析，经优化横梁变形降低了2.8％，质量降低了23％，一阶频率提高了13％;以立柱结构一阶频率作为拓扑优化目标，以体积系数作为约束条件，优化后立柱变形降低了13.6％，一阶频率提高了19％，动态特性得到改善。 (4)设备整机静动态分析与样机搭建 将经过优化设计后的设备关键部件进行了模型重建，并重新装配在整机模型中，再对重新装配的模型进行了静动态分析，结果显示设备静动态性能得到了改善，验证了部件优化的正确性。最后将优化后的设备模型进行加工生产，并成功完成组装搭建，经检测，装备噪声小、转速快，运行平稳，能够实现高质量的轻量化薄板的连接。 |
| 作者： | 曹可可 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 汪洪峰 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 安徽理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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