重心的分布对加工中心的动态特性有较大影响,因此为保证其具有良好的加工性能,加工中心整体的重心分布必须在合理的范围之内。本文从质量在空间分布的变化会影响机械结构的固有频率这一原理入手,提出了加工中心重心域的概念。采用双调和样条插值的方法预测出固有频率在加工中心重心域内的变化规律。以加工中心的立柱为例,在基于植物叶片的叶脉仿生设计的前提下,以优化加工中心的重心分布和静、动特性为目的,从理论、仿真、优化三个方面入手,分析了加工中心的动态特性。本文主要工作如下:(1)基于瑞利(Rayleigh)商的极小、极大值性质和机床动力学方程修改的理论推导,通过建立加工中心集中质量参数的理论模型分析了当质量矩阵发生改变时对整机固有频率的影响。从立柱和横梁的质心相对位置在空间变化的角度提出了加工中心重心域的概念,为加工中心动态特性分析和优化提供了依据。(2)由主轴箱在加工空间内的极限位置确定了加工中心的重心域,并在其内选择设计了15个仿真点。利用有限元仿真试验和双调和样条插值分析预测出了加工中心前十阶固有频率和谐响应幅值在重心域内的变化规律。分析发现,重心域面积越小,整机在加工空间内的固有频率越高,同时谐响应幅值越低。基于正交实验设计和极差法分析了加工中心立柱的各结构参数变化对重心分布和整机质量的影响,为立柱结构参数优化提供了思路。(3)基于仿生设计的理念,以植物叶片的叶脉作为仿生设计的生物原型,采用相似性原理对立柱与植物叶片进行了相似性评价,论证了将叶脉作为立柱筋板仿生设计的生物原型的合理性。根据叶脉结构的特点建立叶片的有限元模型,得到叶脉结构参数与其静、动特性的关系,最终确定了初步仿生设计的立柱模型。和原有的立柱性能对比发现,仿生设计的立柱静、动态特性均有了一定程度的提高,同时质量减小257Kg。(4)针对初步设计的仿生立柱,采用响应面法分析了立柱各结构参数对响应指标的影响程度。基于非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对重心域面积、一阶固有频率、最大静变形、整机质量四个指标进行了多目标优化,得到了仿生立柱结构参数的最佳组合方案。通过有限元仿真对比,立柱和加工中心的性能达到了综合最优,由此验证了本文提出的将重心域面积最小作为优化目标的正确性。