機械設計開(kāi)題報告
開(kāi)題報告可以說(shuō)是對課題的論證和初步設計，下面是小編搜集整理的機械設計開(kāi)題報告，供大家閱讀參考。
課題名稱(chēng)：MK2110數控磨床動(dòng)力學(xué)模擬與床身結構優(yōu)化設計
課題背景：(標題按小四黑體)
隨著(zhù)全球經(jīng)濟一體化的形成，整個(gè)機床行業(yè)的市場(chǎng)競爭必將愈演愈烈。目前，國內機床產(chǎn)品的技術(shù)水平還相對落后，就設計方法而言，尚處于經(jīng)驗、靜態(tài)和類(lèi)比的傳統設計階段，對動(dòng)力學(xué)模擬和結構動(dòng)態(tài)特性考慮得不多，動(dòng)態(tài)優(yōu)化軟件使用率也相對較低。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)缺少結構動(dòng)力學(xué)建模和優(yōu)化的動(dòng)態(tài)設計方法，就很難提高機床質(zhì)量和生產(chǎn)效率【1】。中國的機床制造行業(yè)的形勢將變得更為嚴峻，將面臨更為強大的競爭對手，如果我們的機床制造企業(yè)還沒(méi)有先進(jìn)的設計制造手段作為技術(shù)支撐，仍然抱著(zhù)傳統的設計方法不放，那么靠什么與對手進(jìn)行競爭?如何在國外高檔機床大舉進(jìn)攻中國市場(chǎng)的嚴峻形勢下，保留住中國機床原有的半壁江山?然而可喜的是，國內己有許多制造企業(yè)和科研院所認識到了這一點(diǎn)，高檔機床的設計制造是戰略行業(yè)，中國不能在這種行業(yè)上受制于人，必須加快先進(jìn)動(dòng)態(tài)設計技術(shù)向具體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的應用轉移。東南大學(xué)、天津大學(xué)和昆明理工大學(xué)等高校在這方面己進(jìn)行了研究，取得了一定的成果【2】。為此，本畢業(yè)設計以MK2110數控磨床的數學(xué)模型為基礎，著(zhù)重對磨床的動(dòng)力學(xué)和床身的結構優(yōu)化設計進(jìn)行了細致的研究。(小四宋體)
課題內容：
1.提出：對于高速磨床來(lái)說(shuō)，磨削精度是影響磨削質(zhì)量的關(guān)鍵因數，而電主軸芯在磨削過(guò)程中的運動(dòng)變形又是影響磨削精度(如表面磨削波紋等)的重要因素。用傳統的剛性體來(lái)模擬電主軸芯的運動(dòng)難以精確地模擬實(shí)際工況下變形情況，若不考慮柔性體的影響，將會(huì )存在很大的誤差。所以，有必要用柔性體代替剛性體對電主軸芯進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。磨床床身是磨床的重要基礎件，起著(zhù)支撐工件、工作臺、床頭箱和內圓磨削裝置關(guān)鍵部件的作用。它的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性直接影響磨床的加工精度和工件的表面粗糙度，關(guān)系到磨床是否能安全可靠的工作及整機的使用壽命。因此有必要了解床身結構本身具有的剛度特性和動(dòng)態(tài)特性，對其進(jìn)行優(yōu)化設計，以提高磨床整體的動(dòng)靜態(tài)性能。
2.解決方法：虛擬樣機技術(shù)是在設計階段就對設計的產(chǎn)品進(jìn)行性能測試，從而使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品最大可能的滿(mǎn)足設計目標。通過(guò)運用ADAMS軟件對剛性體和柔性體模型整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真【3】。運用有限元ANSYS軟件對床身進(jìn)行靜剛度分析和模態(tài)分析，通過(guò)改變床身內部筋板布局對其進(jìn)行結構優(yōu)化。有限元(Finite Element Analysis)的核心思想是結構的離散化，就是將實(shí)際結構假想地離散為有限數目的規則單元組合體，實(shí)際結構的物理性能可以通過(guò)對離散體進(jìn)行分析，得出滿(mǎn)足工程精度的近似結果來(lái)替代對實(shí)際結構的分析【4】。
3.設計內容：針對該磨床進(jìn)行力學(xué)分析，應用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行工作狀態(tài)下運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模擬分析，并應用有限元軟件ANSYS進(jìn)行靜剛度分析、模態(tài)分析和結構優(yōu)化。其中靜剛度分析主要是研究磨床床身在固定載荷的作用下的變形及應力狀況，這對掌握機床的機械特性大有幫助;其次，床身結構的動(dòng)態(tài)特性是影響磨床產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一，而研究其動(dòng)態(tài)特性的方法主要是進(jìn)行模態(tài)分析，主要內容是確定磨床床身的震動(dòng)特性既固有頻率和主振型，它們是承受動(dòng)載荷的重要參數;最后是通過(guò)改變磨床床身內部筋板布局，分析各布局的動(dòng)靜態(tài)特性，進(jìn)行結構優(yōu)化。
課題意義：
建立一個(gè)真正反映結構系統動(dòng)態(tài)特性的磨床動(dòng)力學(xué)模型，僅僅是進(jìn)行結構動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計的先決條件，而不是最終的目的。動(dòng)態(tài)設計的最終目的，是利用系統的動(dòng)力學(xué)模型以期獲得一個(gè)具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能機床結構產(chǎn)品設計方案。通過(guò)對磨床進(jìn)行力學(xué)分析，應用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行工作狀態(tài)下運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模擬分析，通過(guò)虛擬試驗和測試，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段就可以幫助設計者發(fā)現設計缺陷，并提出改進(jìn)方案。應用有限元分析ANSYS，對床身進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，可以通過(guò)變形云圖，查看結構的薄弱環(huán)節以及結構固有頻率，通過(guò)對薄弱環(huán)節的分析，提出解決方案，優(yōu)化結構。
國內外研究現狀：
目前，磨床的動(dòng)特性分析主要以有限元法為主，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，普遍采用通用的工程有限元軟件進(jìn)行建模、優(yōu)化與仿真計算，所建的模型由試驗數據進(jìn)行修正。我國機床工業(yè)至今仍與國外存在著(zhù)技術(shù)上的差距，不少?lài)鈾C床在樣本中標明他們的床身、立柱等基礎件經(jīng)過(guò)了有限元分析，因而具有優(yōu)異的動(dòng)、靜剛度、熱變形等性能，但我國的機床樣本中做的很少。不過(guò)我國高校、研究所等單位已經(jīng)擁有了這方面的技術(shù)資源。
美國Catholic大學(xué)GBiabchi等進(jìn)行了機床的動(dòng)態(tài)設計與控制相結合的研究【5】，Michigan大學(xué)的T.Jiang和M.Chiredast在應用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎上，利用數學(xué)模型來(lái)模擬機床結構的聯(lián)接形式，建立了機床整機的動(dòng)力學(xué)模型，并對機床結合面聯(lián)接件的位置與數量進(jìn)行了拓撲優(yōu)化設計【6】。
陜西理工學(xué)院侯紅玲等在對機械系統進(jìn)行運動(dòng)學(xué)分析時(shí)，將ANSYS與ADAMS兩個(gè)軟件結合使用，可以精確模擬整個(gè)系統的運動(dòng)，取得動(dòng)力學(xué)仿真結果。ADAMS軟件是著(zhù)名的機械系統動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，分析對象主要是剛體，但與ANSYS軟件結合使用可以考慮分析零部件的彈性，同樣ADAMS的分析結果可為ANSYS分析提供相應的邊界條件。這些工作對于支持并加快提升企業(yè)的自主技術(shù)創(chuàng )新能力具有一定的意義【7】。
東南大學(xué)的陳新、孫慶鴻在A(yíng)NSYS軟件上建立高精度內圓磨床M2120A整機結構動(dòng)力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)分析。在建模過(guò)程中，分別采用體單元、彈簧—阻尼單元和3D梁?jiǎn)卧�、三維接觸單元模擬主要零部件、轉子系統和結合部【8-9】，該方法采用有限元法，用商品化軟件進(jìn)行建模和分析，全部采用軟件中的現有單元，其效率和精度高。
湯文成等【10-12】對床身結構的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化設計，通過(guò)分析和研究得出改變床身的筋板類(lèi)型和布局設計是提高床身床身結構的靜、動(dòng)態(tài)特性的有效手段，并且提出了以導軌的振動(dòng)變形量作為床身結構設計的主要依據，建立了床身的結構模型，以床身的結構參數為設計變量，各設計變量對床身動(dòng)態(tài)性能貢獻加權作為結構優(yōu)化設計的目標函數，最后得到最優(yōu)的床身設計方案，同時(shí)在機床的參數化設計等方面進(jìn)行了有益的嘗試。
通過(guò)以上的綜述可以看出，應用ADAMS軟件對機床結構動(dòng)態(tài)特性的研究基本以機床單件或部分子結構的組合為對象，從整機的角度建立包括主軸轉子系統在內的整機完整的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究相對較少，而且運用柔性體理論對磨床整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析也不多見(jiàn)，大部分還是剛性體仿真。另外，對床身進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)還是局限于改變筋板橫向或徑向數目進(jìn)行優(yōu)化設計。
參考文獻：
1. 陳新，高精度內圓磨床結構動(dòng)力學(xué)建模與優(yōu)化設計研究[D]，南京：東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2001
2. 毛海軍，新一代數控內圓磨床的動(dòng)力學(xué)建模與優(yōu)化[D]，南京：東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2000
3. 李增剛，ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2006
4. 張朝暉，ANSYS11.0結構分析工程應用實(shí)例解析(第二版)[M]，北京：機械工業(yè)出版社，2008.1
5. Biabchi.G,Paolucci.F,Towards Virtual Engineer in Machine Tools Design.Annals of the CIRP,1996,45(1):381～384
6. Jiang.T,Chirehdast.M.A,System Approach to Structural Topology Optimization:Designing Optimal Connections.Journal of Mechanical Design,1998,(12):619～621
7. 侯紅玲，基于A(yíng)DAMS和ANSYS的動(dòng)力學(xué)仿真分析[J]，現代機械，2005(4):62～63
8. 周德廉，陳新，孫慶鴻，高精度內圓磨床整機動(dòng)力學(xué)建模及優(yōu)化設計.東南學(xué)學(xué)報.2001,31(2):35～38
9. 陳新，機床結構的動(dòng)力學(xué)模型建立及其動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計[D]，黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文.1987
10. 湯文成等，機床大件結構的拓撲優(yōu)化設計[J]，東南大學(xué)學(xué)報，1996(5) :35～38
11. 湯文成，工程結構分析的現狀與應用的若干問(wèn)題[J]，計算機輔助設計與制造，1996(10):17～19
12. 湯文成，板厚對機床床身的動(dòng)靜特性的影響[J]，制造技術(shù)與機床，1997(3) :28～31
研究?jì)热?
針對MK2110數控內圓磨床，應用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行工作狀態(tài)下剛性體動(dòng)力學(xué)仿真。將電主軸芯柔性化，進(jìn)行工作狀態(tài)下柔性體動(dòng)力學(xué)仿真。應用有限元軟件ANSYS對磨床床身進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和結構優(yōu)化。其中靜力學(xué)分析主要是研究磨床床身在最大工作載荷的作用下的變形及應力狀況，這對掌握機床的機械特性大有幫助;另外床身結構的動(dòng)態(tài)特性是影響磨床產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)模態(tài)分析研究其動(dòng)態(tài)特性，確定磨床床身的振動(dòng)特性和主振型，它們是承受動(dòng)載荷的重要參數;最后對磨床床身進(jìn)行結構優(yōu)化，通過(guò)改變床身內部筋板布局，分析各種布局的振動(dòng)特性和靜態(tài)特性，選擇最優(yōu)的方案。
研究計劃：
第一周：資料收集與文獻檢索
第二周：英文資料翻譯
第三周：編寫(xiě)開(kāi)題報告
第四周：提交開(kāi)題報告
第五周：學(xué)習軟件與建立磨床三維建模
第六周：學(xué)習軟件與建立磨床三維建模
第九周：動(dòng)力學(xué)分析
第十周：動(dòng)力學(xué)分析
第十一周：結構分析
第十二周：結構優(yōu)化分析
第十三周：編寫(xiě)論文
第十四周：編寫(xiě)論文
第十五周：編寫(xiě)論文
第十六周：提交論文并完成答辯
特色與創(chuàng )新
1. 利用ADAMS軟件對MK2110磨床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，絕大多數研究還是主要應用ANSYS作分析。
2. 運用了先進(jìn)的三維建模軟件實(shí)現對復雜模型的建立，彌補了有限元分析軟件ANSYS建模功能的不足。
3. 將電主軸芯柔性化，對整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。
4. 針對ANSYS軟件不適合機械動(dòng)力學(xué)分析,ADAMS軟件不適合有限元分析的狀況,將ANSYS和ADAMS兩種分析軟件結合起來(lái)對柔性體進(jìn)行仿真分析。
5. 在有限元分析過(guò)程中綜合運用了靜剛度分析，模態(tài)分析等常用分析方法。
6. 提出新的改變筋板布局的方式，對床身進(jìn)行優(yōu)化設計。
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