开题报告-NGW型周转轮系的运动仿真研究.doc

武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称NGW型周转轮系的运动仿真研究使用专业机械设计制造及其自动化学生姓名学生学号教师姓名教师职称教授2016年4月1日武汉工程大学邮电与信息工程学院2016届毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目NGW型周转轮系的运动仿真研究学生姓名专业班级机械设计制造及其自动化03班指导教师姓名职称教授一、 课题背景传动装置是机器的重要组成部分，机器工作性能的好坏很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，不断提高传动装置的设计和制造水平具有极其重要的意义。齿轮传动是最常采用的一种传动形式，其主要特点有：(1)效率高：在常用的机械传动中，齿轮传动的效率为最高；(2)结构紧凑：在同样的使用条件下，齿轮传动所占用的空间一般较小；(3)工作寿命长：设计合理、维护良好的齿轮传动，其使用寿命可长达二十年；(4)传动比稳定：常用的渐开线圆柱齿轮满足定比传动条件，且具有可分性。由于具备了上述特点，因此齿轮传动被广泛应用。在齿轮传动中，当一系列互相啮合的齿轮把原动机的转速和扭矩传递给执行机构时，这种齿轮传动系统就称为轮系。当轮系中至少有一个齿轮轴线绕其它定轴齿轮的轴线回转，且机构的自由度为1，则轮系为行星轮系，即行星齿轮传动。其主要特点为：(1)体积小、重量轻：在承受相同载荷条件下，行星齿轮传动的外廓尺寸和重量通常仅为定轴齿轮传动的1/21/6；(2)传动效率高：行星齿轮传动的效率可高达99.4%；(3)工作可靠：行星齿轮传动平稳，抗冲击和振动能力强。NGW型行星齿轮传动被广泛应用于各种机械传动系统中。例如，在航空发动机和直升机主传动系统中，由于要求其体积小、重量轻、结构紧凑和传动效率高，因此NGW型行星齿轮传动是主要的传动形式。随着现代工业的高速发展，齿轮减速器的功能结构日趋复杂，新减速器的更新换代周期不断缩短，其设计在整个生命周期中占据越来越重要的地位。在新减速器开发中，虽然设计本身的费用仅占总成本的5%，但是开发费用中的 80%取决于设计，因此设计对提高减速器整体的生产率起着举足轻重的作用。18世纪下半叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，运动学在原来的机械力学基础上发展成为一门独立的学科。生产力的高速发展使人们对机械产品的要求越来越趋于多样化和高层次化，对于产品设计的复杂性和精确性要求也日趋提高，采用传统的设计方法对行星轮系进行设计和运动分析非常费时，并常会导致机构设计的不准确性。而随着计算技术的发展而产生的计算机仿真技术，使机械设计人员在计算机屏幕上通过机构的动态显示，不仅可以直观地看到机构的整个运动过程，而且可以分析运动的完成时间、运动轨迹、运动干涉情况以及机构运动学参数等。这样，设计人员不需等待试制样机就可以提前对设计中可能出现的问题作出精确的预测、分析和改进，从而将设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少试制样机的费用和时间，从而大大缩短产品的更新周期。因此，计算机仿真技术已经成为现代机械设计和分析的重要科研手段，在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用。因而，为计算机仿真提供准确数据来源的运动分析和动力分析也显得尤为重要。目前，计算机仿真技术已经向三维实体化方向发展。行星轮系的运动分析和动力分析一直就是研究其机械性能的重要组成部分。通过对其运动和动力分析，可以了解其运动特性和动力性能，便于更合理有效地进行设计或改进。所以说以强大的三维实体造型软件为支撑软件结合国内先进的分析方法，对行星轮系进行设计和运动仿真是十分有意义的。UG完整地继承了各种模块，如实体设计、曲面设计、机械装配、运动仿真、数控加工等。产品各零部件模型设计完成后，为保证实际装配效果，监测各零部件之间的装配关系和运动关系，可使用仿真模块模拟实际操作。它可快速、准确地检测零部件间的干涉、运动特性，指导设计者直接、快速的修改模型，从而缩短修改时间，提高设计效率。本文主要采用UG软件平台，进行NGW周转轮系的设计以及进行运动仿真研究，从而设计出更合理的设备。 二、 国内外研究状况和应用前景 优化设计是20 世纪60 年代初发展起来的一门新兴学科，它将数学中的最优化理论与工程设计领域相结合，使人们在解决工程设计问题时，可以从无数设计方案中找到最优或尽可能完善的设计方案，大大提高了工程的设计效率和设计质量。 工业化的社会需求，尤其是计算机技术的迅速发展，有关优化设计的数学方法和工具也突飞猛进，如共轭法、变尺度法、惩罚函数法、线性逼近和二次规划法等；为提高工作效率和预测设计产品的质量，推出了许多商业化的设计软件和优化工具箱；比如 Pro/E、UG 等软件，可以在计算机中进行虚拟设计和分析；Matlab 优化工具箱，可以采用软件提供的成熟的优化程序，对传动系统开展优化设计的分析和研究。 目前，优化设计已是工程设计中的一种重要设计方法，广泛应用于各个工程领域航空航天、机械、船舶、交通、电子、通讯、建筑、纺织、冶金、石油、管理等,并产生了巨大的经济效益和社会效益。特别是由于国家、地区和企业之间的竞争日益激烈，各种原材料、能源的短缺，优化设计越来越受到人们广泛的重视，并成为 21 世纪工程设计人员必须掌握的一种设计方法。由于行星齿轮传动具有的诸多优点，早在 60 年代初期，德、英、美、日等工业发达国家就开始了工程设计的思维和方法的探索工作，率先开展了优化设计的研究工作，出现了许多新思想和新方法，如基于遗传算法的优化设计、模糊优化设计、可靠性优化设计等，在结构优化、传动性能、传递功率方面取得了丰硕的成果，并成立了可靠性研究中心，如英国在 1966 年建立质量和可靠性委员会，德国在 1957 年建立可靠性中心。尤其在行星传动动力学研究方面发展很快，1994 年在美国国家航空航天局、美国军事研究中心以及福汽车公司资助下，美国对行星齿轮传动弹性动力学的很多方面开展了深入研究工作，如自由振动、动态响应、均载、振动抑制、动态稳定性等进行了系统的研究。目前CAD/CAE/CAM 一体化技术已应用在行星齿轮的设计当中，优化设计手段正向小型化、高速化、低噪声、高可靠度发展，国外知名的公司如德国SEW、弗兰德（LENDER）、诺德（NORD）以及日本住友（SUMITOMO）等系列减速器产品普遍采用了最优化设计方法和CAD 技术。 在我国，直到 80 年代，最优化设计方法才开始广泛应用在机械设计领域。近十多年来，最优化设计方法的研究发展较快，已陆续应用在建筑结构、化工、冶金、铁路、航空航天、机床等工程设计领域，从而打破了传统的设计观念。近年来，随着我国科学技术的不断进步，经过技术引进以及机械科技人员的不断积累和消化吸收，优化设计已广泛地用于机械工程领域。随着最优化设计方法研究的不断深入发展，尤其在齿轮传动技术领域，广大工程技术人员在实践中不断总结积累，在齿轮的优化设计和理论研究方面做了许多研究工作，如齿轮的动态优化设计、基于遗传算法的可靠性优化设计、稳健性优化设计、行星齿轮传动的模糊优化设计、行星齿轮的多目标优化设计、行星轮系参数优选及可靠性优化设计、行星齿轮传动的功率分流动态均衡优化设计等，并取得了一些阶段性研究成果，获得了一些行之有效的方法，大大推动了齿轮传动设计技术的应用与发展。 目前，齿轮传动优化设计的主要内容有：齿轮在最小接触应力下的齿廓最佳几何形状设计；轮齿在满足弯曲和接触强度条件下具有最佳承载能力的非渐开线正齿轮副设计；定轴齿轮传动在限定最大接触应力、齿面最高温升和保证齿面最小油膜厚度下使单位体积所能传递的扭矩最大的优化设计；二级齿轮减速器重量最轻化的设计；齿轮泵的优化设计；行星齿轮传动系统的优化设计等。研究主要针对直齿和斜齿圆柱齿轮，比较深入的研究有：齿轮传动的模糊优化设计；可靠性优化设计；圆柱齿轮优化设计的数学模型变换；约束变尺度法优化设计等。然而针对行星齿轮传动的优化设计研究较少，而行星齿轮传动在机械传动领域中应用非常广泛，因此有必要对行星齿轮传动进行优化设计研究。最优化方法在机构设计和零件设计中应用广泛，效果显著。近十年来，国内外对整台机器或某一机械系统的设计，采用最优化方法代替原来传统的设计方法也越来越多。机构的优化设计从六十年代后期开始得到学速发展，目前已经成为机构学的重要研究方向之一。 与计算技术发展相适应，在国外己经成功开发了一批机构分析和设计的通用软件。 该软件是Cooper.D.W 等人于1964 年开发的；采用的理论是M.A.Chace 的矢量单纯形理论。该理论的基本思想是从集合的观点着眼，将平面连杆机构看成是封闭多边形，并将多边形分解成若干个平面图形中的单纯形平面三角形，将三角形的各边用矢量表示，形成矢量三角形，根据矢量三角形中各矢量在平面连杆机构中的不同特征，将这些矢量三角形分为四种情况，各自编成子程序。这样，对于简单机构可以顺序调用子程序求解，但对复杂机构则只有采用迭代法求解联立的三角矢量方程组。另外，该程序不具备完善的自动分解功能，要求使用者输入大量的信息，过于繁杂，迭代计算时计算量大，速度慢。IMP（Integrated Mechanisms Program)是J.J.Uicker 等人于19681971 年在美国威斯康星大学开发的，采用的是单矢理论。此理论是将平面连杆机构看成若干单矢组成的封闭矢量回路，建立复矢量回路方程组，利用迭代法求解此方程组的解，从而得到机构的运动参数。此程序的显著特点是利用了拓扑理论来优选回路，建立方程组的自动化程度远比KAM 高，使输入相对KAM 简单许多，但它采用的是二级坐标全部参加迭代的方法来求解非线性方程组，从而使计算量大，要求计算机容量大，分析速度慢。初值选取不恰当时，迭代难以收敛。ADAMS 是由密执安大学开发的，作者是 N.Orlender 和 M.A.Chace。目前，ADAMS 是世界上使用范围最广，最负盛名的机械系统仿真分析软件。三、 毕业设计主要内容和研究方案主要内容： 1、NGW 型周转轮系各零件设计计算； 2、NGW 装配体的生成； 3、用UG 等三维软件进行运动仿真分析； 4、运用UG 软件对分析后的装配体以及各零件进行优化； 5、完成论文的编写和外文翻译。研究方法： 进行文献查询，学习并掌握三维设计原理，UG 软件的使用，然后对NGW 型周转轮系中各个零件进行实体建模，并进行NGW 型周转轮系的运动仿真分析 研究思路：查阅资料学习并掌握三维设计原理UG 软件的使用NGW 型周转轮系以及各零件的三维建模以及运动仿真分析，并对整个行星齿轮减速器的优化。四、 课题前期工作在开始本课题之前，通过查阅有关NGW 型周转轮系的资料，对NGW 型周转轮系的理论知识系统学习，并找到相应的设备，观察其结构特征，并了解其工作原理，通过相关知识的学习，了解如何用UG 软件进行NGW 型周转轮系设计和运动仿真，并进行相应的优化。五、 总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）：第一周（3月21日）：确设计内容和要求，准备好设计所需设计手册等资料，以及所需设备、设计软件等工具，资料的查阅； 第二周：英文资料的翻译，学习并掌握三维设计原理与UG软件的使用；第三周第五周：此周转轮系常规设计计算、结果分析；第六周第八周：利用三维设计软件进行各零部件的设计