多功能复合机床作为装备制造业的工作母机,因其具备一次装夹完成车、铣、滚等多道工序加工的特有优势被广泛应用于加工制造相关领域,在现代制造业中起着不可或缺的重要作用。随着多工况复合加工技术高速度、高精度、高稳定性的发展趋势,对机床结整机性能要求越来越高。为此,提高机床静动态特性以改善机床刚度及抗振性对现代机床虚拟样机设计具有重要意义。本文主要针对机床结构优化设计的相关问题展开研究,以自行研制的多功能复合机床的关键零部件立柱为研究对象,针对机床整机静动态性能较差的问题,利用理论模型创建、有限元分析、结构优化设计等手段,提出了一种将灵敏度分析、拉丁超立方实验设计、EI加点准则Kriging模型、NSGA-Ⅱ遗传算法以及权重系数筛选相结合的结构优化方法,对机床结构进行多目标优化研究。全文主要内容包括:(1)首先在Solidworks中建立机床实体模型基础上,结合静力学及有限元分析理论在Workbench中创建机床整机有限元模型,确定机床极限加工位置后,依次分析计算不同加工方式的载荷作用,重点通过对机床在车削、铣削、滚削工况下进行静特性分析,得到机床的变形与应力云图,对比分析不同工况下的位移、应力及静刚度,最后明确机床铣削加工为极限工况,辨识机床立柱结构为整机静特性薄弱环节。(2)然后充分考虑机床结合部必要性的前提下,详细对机床整机含有的两类主要结合部:螺栓固定结合部和滑动导轨结合部,基于虚拟介质法进行结合部参数识别,提高机床整机动特性分析准确度,接着依据模态分析与谐响应分析理论对融入结合部特性的机床整机动特性进行分析,利用模态分析获得机床固有频率及主振型,利用谐响应分析获得机床谐响应曲线,结合静动特性分析结果一致性确定立柱为影响机床性能的关键结构件。(3)最后针对机床整机静动态薄弱环节立柱结构,基于灵敏度分析确定优化参数、拉丁超立方实验设计确定变量空间范围、动态加点准则Kriging模型构建响应面模型,以机床低价固有频率、刚度及质量为目标进行多目标优化设计,利用非支配排序遗传算法进行寻优逼近得到Pareto前沿解集,最终结合实际要求通过权重系数法获得符合条件的优化数据。结果验证表明:优化后机床整机第一、二阶固有频率分别提高10.21%、6.25%;同时机床整机X、Y、Z三个方向的最大共振峰值分别下降39.1%、37.7%、23.5%,优化后机床整机静动态性能显著改善。