機械設計開題報告
開題報告可以說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題報告，供大家閱讀參考。
課題名稱：MK2110數(shù)控磨床動力學模擬與床身結構優(yōu)化設計
課題背景：(標題按小四黑體)
隨著全球經(jīng)濟一體化的形成，整個機床行業(yè)的市場競爭必將愈演愈烈。目前，國內(nèi)機床產(chǎn)品的技術水平還相對落后，就設計方法而言，尚處于經(jīng)驗、靜態(tài)和類比的傳統(tǒng)設計階段，對動力學模擬和結構動態(tài)特性考慮得不多，動態(tài)優(yōu)化軟件使用率也相對較低。新產(chǎn)品開發(fā)缺少結構動力學建模和優(yōu)化的動態(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)還沒有先進的設計制造手段作為技術支撐，仍然抱著傳統(tǒng)的設計方法不放，那么靠什么與對手進行競爭?如何在國外高檔機床大舉進攻中國市場的嚴峻形勢下，保留住中國機床原有的半壁江山?然而可喜的是，國內(nèi)己有許多制造企業(yè)和科研院所認識到了這一點，高檔機床的設計制造是戰(zhàn)略行業(yè)，中國不能在這種行業(yè)上受制于人，必須加快先進動態(tài)設計技術向具體產(chǎn)品開發(fā)的應用轉(zhuǎn)移。東南大學、天津大學和昆明理工大學等高校在這方面己進行了研究，取得了一定的成果【2】。為此，本畢業(yè)設計以MK2110數(shù)控磨床的數(shù)學模型為基礎，著重對磨床的動力學和床身的結構優(yōu)化設計進行了細致的研究。(小四宋體)
課題內(nèi)容：
1.提出：對于高速磨床來說，磨削精度是影響磨削質(zhì)量的關鍵因數(shù)，而電主軸芯在磨削過程中的運動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(tǒng)的剛性體來模擬電主軸芯的運動難以精確地模擬實際工況下變形情況，若不考慮柔性體的影響，將會存在很大的誤差。所以，有必要用柔性體代替剛性體對電主軸芯進行動力學分析。磨床床身是磨床的重要基礎件，起著支撐工件、工作臺、床頭箱和內(nèi)圓磨削裝置關鍵部件的作用。它的動態(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態(tài)特性，對其進行優(yōu)化設計，以提高磨床整體的動靜態(tài)性能。
2.解決方法：虛擬樣機技術是在設計階段就對設計的產(chǎn)品進行性能測試，從而使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品最大可能的滿足設計目標。通過運用ADAMS軟件對剛性體和柔性體模型整體進行動力學仿真【3】。運用有限元ANSYS軟件對床身進行靜剛度分析和模態(tài)分析，通過改變床身內(nèi)部筋板布局對其進行結構優(yōu)化。有限元(Finite Element Analysis)的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析【4】。
3.設計內(nèi)容：針對該磨床進行力學分析，應用動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態(tài)下運動學與動力學模擬分析，并應用有限元軟件ANSYS進行靜剛度分析、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，床身結構的動態(tài)特性是影響磨床產(chǎn)品性能的關鍵因素之一，而研究其動態(tài)特性的方法主要是進行模態(tài)分析，主要內(nèi)容是確定磨床床身的震動特性既固有頻率和主振型，它們是承受動載荷的重要參數(shù);最后是通過改變磨床床身內(nèi)部筋板布局，分析各布局的動靜態(tài)特性，進行結構優(yōu)化。
課題意義：
建立一個真正反映結構系統(tǒng)動態(tài)特性的磨床動力學模型，僅僅是進行結構動態(tài)優(yōu)化設計的先決條件，而不是最終的目的。動態(tài)設計的最終目的，是利用系統(tǒng)的動力學模型以期獲得一個具有良好的靜、動態(tài)性能機床結構產(chǎn)品設計方案。通過對磨床進行力學分析，應用動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態(tài)下運動學與動力學模擬分析，通過虛擬試驗和測試，在產(chǎn)品開發(fā)階段就可以幫助設計者發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并提出改進方案。應用有限元分析ANSYS，對床身進行靜力學分析和模態(tài)分析，可以通過變形云圖，查看結構的薄弱環(huán)節(jié)以及結構固有頻率，通過對薄弱環(huán)節(jié)的分析，提出解決方案，優(yōu)化結構。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
目前，磨床的動特性分析主要以有限元法為主，隨著計算機技術的發(fā)展，普遍采用通用的工程有限元軟件進行建模、優(yōu)化與仿真計算，所建的模型由試驗數(shù)據(jù)進行修正。我國機床工業(yè)至今仍與國外存在著技術上的差距，不少國外機床在樣本中標明他們的床身、立柱等基礎件經(jīng)過了有限元分析，因而具有優(yōu)異的動、靜剛度、熱變形等性能，但我國的機床樣本中做的很少。不過我國高校、研究所等單位已經(jīng)擁有了這方面的技術資源。
美國Catholic大學GBiabchi等進行了機床的動態(tài)設計與控制相結合的研究【5】，Michigan大學的T.Jiang和M.Chiredast在應用有限元法和動態(tài)分析的基礎上，利用數(shù)學模型來模擬機床結構的聯(lián)接形式，建立了機床整機的動力學模型，并對機床結合面聯(lián)接件的位置與數(shù)量進行了拓撲優(yōu)化設計【6】。
陜西理工學院侯紅玲等在對機械系統(tǒng)進行運動學分析時，將ANSYS與ADAMS兩個軟件結合使用，可以精確模擬整個系統(tǒng)的運動，取得動力學仿真結果。ADAMS軟件是著名的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，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)的自主技術創(chuàng)新能力具有一定的意義【7】。
東南大學的陳新、孫慶鴻在ANSYS軟件上建立高精度內(nèi)圓磨床M2120A整機結構動力學模型和動力學分析。在建模過程中，分別采用體單元、彈簧—阻尼單元和3D梁單元、三維接觸單元模擬主要零部件、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和結合部【8-9】，該方法采用有限元法，用商品化軟件進行建模和分析，全部采用軟件中的現(xiàn)有單元，其效率和精度高。
湯文成等【10-12】對床身結構的靜、動態(tài)特性進行分析和優(yōu)化設計，通過分析和研究得出改變床身的筋板類型和布局設計是提高床身床身結構的靜、動態(tài)特性的有效手段，并且提出了以導軌的振動變形量作為床身結構設計的主要依據(jù)，建立了床身的結構模型，以床身的結構參數(shù)為設計變量，各設計變量對床身動態(tài)性能貢獻加權作為結構優(yōu)化設計的目標函數(shù)，最后得到最優(yōu)的床身設計方案，同時在機床的參數(shù)化設計等方面進行了有益的嘗試。
通過以上的綜述可以看出，應用ADAMS軟件對機床結構動態(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(zhuǎn)子系統(tǒng)在內(nèi)的整機完整的動力學模型進行研究相對較少，而且運用柔性體理論對磨床整體進行動力學仿真分析也不多見，大部分還是剛性體仿真。另外，對床身進行優(yōu)化設計時還是局限于改變筋板橫向或徑向數(shù)目進行優(yōu)化設計。
參考文獻：
1. 陳新，高精度內(nèi)圓磨床結構動力學建模與優(yōu)化設計研究[D]，南京：東南大學博士學位論文，2001
2. 毛海軍，新一代數(shù)控內(nèi)圓磨床的動力學建模與優(yōu)化[D]，南京：東南大學博士學位論文，2000
3. 李增剛，ADAMS入門詳解與實例[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ADAMS和ANSYS的動力學仿真分析[J]，現(xiàn)代機械，2005(4):62～63
8. 周德廉，陳新，孫慶鴻，高精度內(nèi)圓磨床整機動力學建模及優(yōu)化設計.東南學學報.2001,31(2):35～38
9. 陳新，機床結構的動力學模型建立及其動態(tài)優(yōu)化設計[D]，黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學碩士論文.1987
10. 湯文成等，機床大件結構的拓撲優(yōu)化設計[J]，東南大學學報，1996(5) :35～38
11. 湯文成，工程結構分析的現(xiàn)狀與應用的若干問題[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靜特性的影響[J]，制造技術與機床，1997(3) :28～31
研究內(nèi)容:
針對MK2110數(shù)控內(nèi)圓磨床，應用多體動力學分析軟件ADAMS進行工作狀態(tài)下剛性體動力學仿真。將電主軸芯柔性化，進行工作狀態(tài)下柔性體動力學仿真。應用有限元軟件ANSYS對磨床床身進行靜力學分析、模態(tài)分析和結構優(yōu)化。其中靜力學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;另外床身結構的動態(tài)特性是影響磨床產(chǎn)品性能的關鍵因素之一，通過模態(tài)分析研究其動態(tài)特性，確定磨床床身的振動特性和主振型，它們是承受動載荷的重要參數(shù);最后對磨床床身進行結構優(yōu)化，通過改變床身內(nèi)部筋板布局，分析各種布局的振動特性和靜態(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：編寫開題報告
第四周：提交開題報告
第五周：學習軟件與建立磨床三維建模
第六周：學習軟件與建立磨床三維建模
第九周：動力學分析
第十周：動力學分析
第十一周：結構分析
第十二周：結構優(yōu)化分析
第十三周：編寫論文
第十四周：編寫論文
第十五周：編寫論文
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磨床進行動力學仿真，絕大多數(shù)研究還是主要應用ANSYS作分析。
2. 運用了先進的三維建模軟件實現(xiàn)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，對整體進行動力學仿真。
4. 針對ANSYS軟件不適合機械動力學分析,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對柔性體進行仿真分析。
5. 在有限元分析過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，對床身進行優(yōu)化設計。
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