機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
開(kāi)題報(bào)告可以說(shuō)是對(duì)課題的論證和初步設(shè)計(jì)，下面是小編搜集整理的機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告，供大家閱讀參考。
課題名稱：MK2110數(shù)控磨床動(dòng)力學(xué)模擬與床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
課題背景：(標(biāo)題按小四黑體)
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的形成，整個(gè)機(jī)床行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必將愈演愈烈。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)水平還相對(duì)落后，就設(shè)計(jì)方法而言，尚處于經(jīng)驗(yàn)、靜態(tài)和類(lèi)比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，對(duì)動(dòng)力學(xué)模擬和結(jié)構(gòu)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(duì)較低。新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)缺少結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模和優(yōu)化的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，就很難提高機(jī)床質(zhì)量和生產(chǎn)效率【1】。中國(guó)的機(jī)床制造行業(yè)的形勢(shì)將變得更為嚴(yán)峻，將面臨更為強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，如果我們的機(jī)床制造企業(yè)還沒(méi)有先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造手段作為技術(shù)支撐，仍然抱著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不放，那么靠什么與對(duì)手進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)?如何在國(guó)外高檔機(jī)床大舉進(jìn)攻中國(guó)市場(chǎng)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，保留住中國(guó)機(jī)床原有的半壁江山?然而可喜的是，國(guó)內(nèi)己有許多制造企業(yè)和科研院所認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，高檔機(jī)床的設(shè)計(jì)制造是戰(zhàn)略行業(yè)，中國(guó)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(shè)計(jì)技術(shù)向具體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的應(yīng)用轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)以MK2110數(shù)控磨床的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，著重對(duì)磨床的動(dòng)力學(xué)和床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)致的研究。(小四宋體)
課題內(nèi)容：
1.提出：對(duì)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(shù)，而電主軸芯在磨削過(guò)程中的運(yùn)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(tǒng)的剛性體來(lái)模擬電主軸芯的運(yùn)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(duì)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(chǔ)件，起著支撐工件、工作臺(tái)、床頭箱和內(nèi)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(jī)的使用壽命。因此有必要了解床身結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高磨床整體的動(dòng)靜態(tài)性能。
2.解決方法：虛擬樣機(jī)技術(shù)是在設(shè)計(jì)階段就對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，從而使生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品最大可能的滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)剛性體和柔性體模型整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真【3】。運(yùn)用有限元ANSYS軟件對(duì)床身進(jìn)行靜剛度分析和模態(tài)分析，通過(guò)改變床身內(nèi)部筋板布局對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。有限元(Finite Element Analysis)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析【4】。
3.設(shè)計(jì)內(nèi)容：針對(duì)該磨床進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行工作狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模擬分析，并應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行靜剛度分析、模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀況，這對(duì)掌握機(jī)床的機(jī)械特性大有幫助;其次，床身結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù);最后是通過(guò)改變磨床床身內(nèi)部筋板布局，分析各布局的動(dòng)靜態(tài)特性，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
課題意義：
建立一個(gè)真正反映結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的磨床動(dòng)力學(xué)模型，僅僅是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的先決條件，而不是最終的目的。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的最終目的，是利用系統(tǒng)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(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)磨床進(jìn)行力學(xué)分析，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行工作狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模擬分析，通過(guò)虛擬試驗(yàn)和測(cè)試，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段就可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并提出改進(jìn)方案。應(yīng)用有限元分析ANSYS，對(duì)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(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)以及結(jié)構(gòu)固有頻率，通過(guò)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的分析，提出解決方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
目前，磨床的動(dòng)特性分析主要以有限元法為主，隨著計(jì)算機(jī)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(jì)算，所建的模型由試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。我國(guó)機(jī)床工業(yè)至今仍與國(guó)外存在著技術(shù)上的差距，不少國(guó)外機(jī)床在樣本中標(biāo)明他們的床身、立柱等基礎(chǔ)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(guó)的機(jī)床樣本中做的很少。不過(guò)我國(guó)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(guó)Catholic大學(xué)GBiabchi等進(jìn)行了機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與控制相結(jié)合的研究【5】，Michigan大學(xué)的T.Jiang和M.Chiredast在應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)的聯(lián)接形式，建立了機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)機(jī)床結(jié)合面聯(lián)接件的位置與數(shù)量進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)【6】。
陜西理工學(xué)院侯紅玲等在對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，將ANSYS與ADAMS兩個(gè)軟件結(jié)合使用，可以精確模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，取得動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果。ADAMS軟件是著名的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，分析對(duì)象主要是剛體，但與ANSYS軟件結(jié)合使用可以考慮分析零部件的彈性，同樣ADAMS的分析結(jié)果可為ANSYS分析提供相應(yīng)的邊界條件。這些工作對(duì)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ANSYS軟件上建立高精度內(nèi)圓磨床M2120A整機(jī)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子系統(tǒng)和結(jié)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(xiàn)有單元，其效率和精度高。
湯文成等【10-12】對(duì)床身結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)分析和研究得出改變床身的筋板類(lèi)型和布局設(shè)計(jì)是提高床身床身結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性的有效手段，并且提出了以導(dǎo)軌的振動(dòng)變形量作為床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，建立了床身的結(jié)構(gòu)模型，以床身的結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，各設(shè)計(jì)變量對(duì)床身動(dòng)態(tài)性能貢獻(xiàn)加權(quán)作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，最后得到最優(yōu)的床身設(shè)計(jì)方案，同時(shí)在機(jī)床的參數(shù)化設(shè)計(jì)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(yīng)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的研究基本以機(jī)床單件或部分子結(jié)構(gòu)的組合為對(duì)象，從整機(jī)的角度建立包括主軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在內(nèi)的整機(jī)完整的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究相對(duì)較少，而且運(yùn)用柔性體理論對(duì)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(duì)床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)還是局限于改變筋板橫向或徑向數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
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研究?jī)?nèi)容:
針對(duì)MK2110數(shù)控內(nèi)圓磨床，應(yīng)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(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)磨床床身進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)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(yīng)力狀況，這對(duì)掌握機(jī)床的機(jī)械特性大有幫助;另外床身結(jié)構(gòu)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(shù);最后對(duì)磨床床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)改變床身內(nèi)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(jì)劃：
第一周：資料收集與文獻(xiàn)檢索
第二周：英文資料翻譯
第三周：編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告
第四周：提交開(kāi)題報(bào)告
第五周：學(xué)習(xí)軟件與建立磨床三維建模
第六周：學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)分析
第十二周：結(jié)構(gòu)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(duì)MK2110磨床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，絕大多數(shù)研究還是主要應(yīng)用ANSYS作分析。
2. 運(yùn)用了先進(jìn)的三維建模軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜模型的建立，彌補(bǔ)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(duì)整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。
4. 針對(duì)ANSYS軟件不適合機(jī)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(jié)合起來(lái)對(duì)柔性體進(jìn)行仿真分析。
5. 在有限元分析過(guò)程中綜合運(yùn)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(duì)床身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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