基于ansys快速成型系统分析 Rapid Prototyping ansys分析开题报告

一、 选题依据（课题研究的目的、意义，国内外研究现状分析。）1. 课题研究的国内外研究目的与意义RP技术是80年代后期发展起来的快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破1，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造( Quick Tooling)技术、快速精铸技术(Quick Casting)、快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)则可实现零件的快速成品。RP技术迴异于传统的去除成型(如车、削、刨、磨)、拼合成型(如焊接)或受迫成型(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法2，而是采用材料累加法制造零件原型。其原理是先将CAD生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液态光敏树脂使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型3 4，激光快速成型技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性:1) 可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。2) 曲面制造过程中，CAD数据的转化(分层)可百分之百地全自动完成，而不靠数控切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码。3) 不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，因而大大地缩短了新产品的开发成本和周期，其加工效率亦远胜于数控加工。4) 设备购置投资低于数控机床。快速成型技术由于具有制造速度快、投入低、从产品设计到制造完毕只需要原始工艺的1/51/3时间，因此特别适合于单件小批量生产。现在已广泛用于汽车、航空航天、军事、船舶、机械，近年又开始大量用于医学及电子等等各个行业领域5。虽然RP系统有如此多优势并得到广泛应用，但在实际应用过程中其成型件往往不能达到制作者的完美要求，往往需要大量的后处理时间，甚至有时候零件会出现很大的偏差。尽管RP技术有如此多优点，但其中存在的问题也是不可忽略的。本课题主要研究选择性激光烧结（SLS）系统从零件开始制造到后处理过程中所实际遇到的问题，为以后的制造系统进行改进和零件后处理工艺提供技术支持和参考。2. 国内外研究现状目前,虽然有很多人已经开始着手研究快速成型系统，但是主要精力还是集中在成型机上，对于成型件所遇到的问题并没有太多人关注。由于RP技术给工业界带来巨大的效益。因而，它被誉为近十年来工业界的一项重大(革命性与突破性)的科技发展，1992年以前全世界总共装机为300台，而到1995年世界装机为1000台，分布于六大洲的40多个国家，这期间几乎以每年50%的速度增长。而从1995年到1996年4月，具美国Dayton国际RP技术研讨会上一份报告统计台数增长为40%以上，而在设计开发、制造中使用过RP技术的厂商数目增长率为52%。鉴于这种形势，我国政府在“九五”的第一年就将该技术列入“九五”攻关项目，同时，“九五”国家科技攻关中，把先进制造技术列为重点资助的领域之一，而先进制造技术中的几项重要内容，如:精密成型、CAD推广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等技术方面都与RP有关，甚至主要以RP作技术支撑。由此可见，快速成型技术必然会成为未来机械制造业的领头羊。本课题的研究内容也会因此而更有意义。二、研究方案1研究目标、研究内容和拟解决的关键问题1.1 研究目标:基于试验结果数据及热力学、动力学并结合ANSYS，对选择性激光烧结所制造的实体零件所产生的形状、尺寸精度问题及表面质量问题进行研究。1.2 研究内容：1) 建立试验系统，通过试验找出规律性或者影响其尺寸变化的具体原因。2) 在ansys中建立完整的快速成型系统的生产模拟过程。3) 针对后处理要求的不同，分别对成型件进行后处理的研究。4) 对成型机的工艺进行研究。1.3 拟解决的关键问题：1) 正确的在ANSYS中建立模型，选取正确的单元。2) 通过试验测取所需要的大量数据。3) 处理好各个软件之间的数据传递工作。4) 通过摸索找出设计尺寸和生产尺寸差别的规律性。2针对研究内容拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析。2.1 研究方法： 运用所学的动力学和热力学基础理论以及流体动力学理论对快速成型零件的生产及后处理进行研究。首先在UG中建立实验模型，然后在RP系统中制造实验件，对实验件进行后处理，最后在ANSYS中做模态分析。RP系统制造实验零件导入到MAGICSUG设计实验图形进行后处理，并采集必要数据进行anysy分析，改进实验2.2 技术路线：2.3 实验方案及可行性分析：ANSYS在机械工程中的应用已经得到人们普遍的认同，在结合实验的条件下，能够更加准确的分析研究内容的具体原因。本课题利用这一模式对激光烧结快速成型件进行分析，可行性是无庸置疑的。选择性激光烧结制造技术，从图纸设计到零件成型可分为三维制图、MAGICS数据转变、制造、零件后处理等4部分。其中每个部分都可能导致最终零件背离设计者的初衷。在本课题中，认真分析其中每个过程可能导致的结果，尤其是制造和后处理这两个关键部位。在RP制造系统由粉缸、工作台、激光器、铺粉辊等组成，运用ANSYS仿真软件建立整个生产过的的模拟，着重分析激光光束和粉末的接触过程。在后处理过程中，着重分析成型件的渗蜡和树脂渗透过程，用ANSYS模拟这两种液体在零件内部的渗透、分布以及固化过程，通过热力学、流体力学知识来计算其中的应力分布以及内部热分布对成型件的精度及强度影响。3本课题的特点与创新之处。本课题的特点是结合了多种分析方法，通过实验和分析软件的结合研究问题。这一领域目前还属于探索阶段，能够获得的前人经验和已有结论非常稀少，所以这一研究是非常有意义的。创新之处在于用ANSYS的高级建模耦合和约束方程技术，通过实验获得第一手实验数据。虽然已经有人做过这方面的研究，但是研究内容主要是整个生产过程中的某部分而已，对整体并没有太深刻的研究。对未来的生产和机器改进而言，这个研究是非常毕要的。4研究进度、工作内容和预期成果。起止年月研究内容2010.32010.12学习UG、MAGICS和ANSYS软件；建立课题的三维模型；查阅相关资料，对激光快速成型系统理论全面了解2011.12011.4学习运用激光快速成型机，并制作试验所需零件，着手开始进行试验2011.82011.9对试验件进行检测，并进行ANSYS模拟2011.102011.12总结分析数据撰写论文2012.12012.3.论文答辩与本课程有关的研究工作基础和己取得的研究成果本课题研究内容主要是快速成型技术成型件的生产和后处理，要分析这一系列过程，需要的理论基础有热力学、动力学、流体力学以及激光等方面的知识，而应用ANSYS模拟时又需要考虑对模块和单元的选择，更要注意耦合分析时的研究过程。目前这一领域的研究内容还不太多，大多数参数并没有现成的数据可以使用，而某些数据的采集是本课题的关键之处，需要通过大量实验才能得到。快速成型技术起步较晚，现在还不是很完善，从上世纪80年代后期才开始逐渐发展并应用于机械工程领域。在我国的发展速度则是更为缓慢，在国外很多行业已经开始广泛应用，而在我国很多人甚至闻所未闻。所以本课题的研究就变得更为有意义。用ANSYS分析流体及热力学问题已被证明是很正确的一个方法，在本课题中主要采用了这种方法进行研究。研究整个快速成型系统的生产及后处理过程，这个全新的领域一定会越来越受到人们的重视的。目前本课题已取得的进展包括：1. 深入学习UG、MAGICS和ANSYS软件，完成试验所涉及到标准三维模型的建模工作；2. 进行标准测试件的选择性激光烧结加工试验，并制作出一系列标准实验件，如图1所示；3. 进行标准测试件的渗蜡后处理试验，如图2、3所示；4. 撰写论文1篇。 图1 选择性激光烧结的系统标准测试件 图2 渗蜡后的标准测试件1图3 渗蜡后的标准测试件2 三、参考文献1 陈雪芳，孙春华. 逆向工程与快速成型技术应用. 机械工业出版社,2009.9.12袁安富,陈俊.ANSYS在模态分析中的应用J.中国制造业信息化,2007.363 王广春，赵国群. 快速成型与快速模具制造技术及应用第2版.机械工业出版社, 2008.4.14 R.F. Hamade. Modelangelo: a subtractive 5-axis robotic arm for rapid prototyping. 期刊.2004.9.235 C.S. Lee. Measurement of anisotropic compressive strength of rapid prototyping.2007.1.166 莫维尼.ANSYS理论与应用. 电子工业出版社,2008.1.17 张朝晖. ANSYS 12.0热分析工程应用实战手册. 中国铁道出版社,2010.8.18 应华，熊晓萍，姜春晓. UG NX 5.0机械设计完全自学手册. 机械工业出版社,2008.3.19 恒盛杰资讯. UG MoldWizard塑料模具设计专家实例精讲. 中国青年出版社,2008.7.1 10 展迪优. UG NX5.0曲面设计教程. 机械工业出版社,2009.1.111 张小勇，温正. UG NX5.0中文版基础入门与范例精通. 科学出版社. 2008.4.112 孙桓，陈作模.机械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2001年13 濮良贵，纪名刚.机械设计，第七版.北京：高等教育出版社,2001年14 张雅琴. 机电液一体化机械手设计. 机械工程与自动化, 2006,315 陈立周,吴清一.机械优化设计M.上海.上海科学技术出版社.198116 吴望一.流体力学.北京大学出版社.2002.10.117 陈廷楠，王平军. 应用流体力学. 航空工业出版社.2000.8.118 汪志诚.热力学. 高等教育出版社.2009.3.119 GUO Xingui. Data Optimization for Slice in Rapid Prototyp