Cross-scale numerical analysis and optimization of machine tool dynamics by integration of particle-filled hollow sphere structures

通过集成颗粒填充空心球结构对机床动力学进行跨尺度数值分析和优化

基本信息

项目摘要

Increasing the productivity of machine tools requires higher feed rates. This requires higher accelerations and, due to jerk, leads to broadband excitation of the frame structure, which is reflected in the quality of the workpiece. The necessary reduction of vibration amplitudes can be achieved by passive damping methods without further energy consumption. For climate-neutral production, their use is preferable to active methods. Particle-filled hollow sphere structures (PHS) enable lightweight construction with structure-integrated, locally adapted, passive damping while maintaining a high elastic modulus-to-density ratio. Due to the lack of numerical design methods, the outstanding properties of PHS cannot currently be used specifically in complex structures. The aim of the project is to provide a consistent simulation method that represents the frequency-selective dynamic properties at the micro, meso and macro levels and thus enables macroscopic structural optimization of dynamically highly loaded machine components by manipulating local material properties at the micro level. The damping properties are to be varied in such a way that the resulting damping can be optimized with respect to natural structural frequencies and these frequency-optimized hollow spheres can then be positioned at locations with the best possible damping effect according to the macroscopic vibration shapes.
提高机床的生产率需要更高的进给速度。这需要更高的加速度,并且由于加加速度,导致框架结构的宽带激励,这反映在工件的质量中。振动振幅的必要降低可以通过被动阻尼方法来实现,而无需进一步的能量消耗。对于气候中性生产而言,它们的使用比活性方法更可取。填充颗粒的空心球结构(PHS)能够实现轻量化结构,具有结构集成、局部适应、被动阻尼,同时保持高弹性模量与密度比。由于缺乏数值设计方法,PHS的突出性能目前不能专门用于复杂结构。该项目的目的是提供一种一致的模拟方法,该方法代表微观,中观和宏观层面的频率选择性动态特性,从而通过在微观层面操纵局部材料特性,实现动态高负载机器部件的宏观结构优化。阻尼特性的变化应使得所产生的阻尼可以相对于固有结构频率进行优化,并且这些频率优化的空心球然后可以根据宏观振动形状定位在具有最佳可能阻尼效果的位置。

项目成果

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