机械制造及其自动化——开题报告.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。填 写 说 明一本表为研究生进入课题研究和学位论文工作时在导师指导下所做的课题研究报告，为保证硕士研究生有一年以上的时间用于课题研究，博士研究生有二年以上的时间用于课题研究，硕博连读研究生有不少于二年半的时间用于课题研究，研究生应按时开题，并填写开题报告。二指导教师和所在系所要认真审查研究生选题是否准确、适当（即课题有无理论意义和经济意义，作为攻读学位的研究生研究课题是否适宜，在课题的难度和份量上是否恰当，能否在规定的时间内完成等），实验方案是否合理、可行，并对所选题给予恰当评价。指导教师意见中还可以对研究生的开题报告作某些补充和说明。三填写本表前系所应组织研究生就选题情况进行公开答辩，提出修改意见。研究生修改定稿后填写本表。经导师、系、学院签署审核意见后复印二份，在第三学期结束前（硕士研究生、博士生）、第四学期结束前（硕博连读生）送学院研究生秘书汇总，二份留学院，原稿由学院研究生秘书送研究生培养科存档。四博士生、硕博连读研究生需要填写研究生学位论文开题报告简表，开题报告的公开答辩的成绩由学院登录。五本表经批准后必须严格执行。如因特殊原因必须修改计划时，须书面申请，并经导师、系、学院同意后方可修改计划。六如果论文选题有重大变动，必须另行开题。研究生学位论文开题报告简表录取类别（ ） 免试 （ ）应届生 （ ） 其他学习类别（ ） 在职学习（ ） 脱产学习入学时间预计毕业时间指导教师第一导师姓名、职称第二导师姓名、职称论文题目：依托的项目（课题）名称项目（课题）编号、来源项目（课题）的起始时间导师在项目（课题）中作用项目（1）（ ）主持人（ ）参加项目（2）（ ）主持人（ ）参加自拟项目（ ）主持人（ ）参加预计研究的创新点其他需要说明的事注：选题的依托项目（课题）的起始时间应与博士论文工作必须有一年以上重合期。本简表为博士生（含硕博）研究生学位授予时审核的依据。硕士研究生不填写该页简表。一学位论文题目：TK69数控镗铣床床身的有限元分析与优化二所选课题的来源、目的、意义及该课题在国内外的概况：1. 课题来源大学研究所与公司、研究中心承担的省十一五重大科技攻关计划项目“大型数控落地镗铣床研究与开发”。2. 课题的目的、意义通过对机床床身的有限元分析，可以分析受载变形过程，寻求其结构的薄弱环节，模拟其振动或热变形等。有限元分析作为设计阶段不可或少的工具，它的应用影响着产品尺寸、重量、成本及性能。机床床身的静动态特性直接影响到机床的加工精度和精度稳定性，在典型工况下对机床床身进行静动态分析能较好地得到其机床特性。另外机床在加工过程中受内部和外部热源影响，必然引起温度场的变化和热变形，机床的热变形也是影响制造误差的重要因素。因此，对机床进行热特性研究，在机床加工误差补偿，提高机床加工精度，以及在机床设计和优化方面都有重要的意义。 3. 国内外概况上世纪50年代起，随着计算机技术的发展，机械产品的开发过程中有限元分析软件应用越来越广泛，有限元方法开始逐步应用于工程实践，加快了新产品开发速度，保证了新产品顺利投产。国外的机床结构设计及优化领域的研究较多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方面都有很多的研究。国外机床专家及学者如美国 Catholic大学G.Bianchi、Lowa州立大学的J.M.Vance与ISU研究中心的T.P.Yeh、 Michigan大学的T.jiang和M.Chiredast已经提出了关于机床设计与分析的几种方法：（1）运用三维数字数学模型来模拟机床零部件结构，以有限元法和动态分析法为基础，建立整机的模型并对机床结合面的连接件进行分析及拓扑优化。（2）采用虚拟现实技术动态设计与控制想结合，设计与分析平行，应用CAD/CAE等技术来进行机床结构的设计及优化，虚拟试验代替实物试验，在多方案的设计中进行分类，比较，选择优化最好的设计。避免其设计的盲目性，提高产品一次成品率。（3）利用有限元软件分析机械结构，进行全程参数化设计，使结构优化的思想用于设计的各个阶段，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，因而得以广泛运用，国际上一些大公司研制了不少的CAE软件，如ANSYS公司的ANSYS有限元分析软件；UG公司的Ideas软件等，从而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提高了机床结构设计的效率和质量。国内的机床结构优化设计主要是侧重在刚度和强度分析设计方面。机床结构优化设计的内容包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等各个方面。目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面:(1)静力学分析及模态分析。其目的为对机床零件承载后的应力和应变的及动力学分析，固有频率和各振型等振动特性的分析。 (2)接触分析。主要用于分析和接触面的相互作用的情况态及相互作用时接触面的受力情况。(3)热应力分析。用于研究机床各部件及结构等内部温度的情况及其所受的热应力状况。 (4)谐响应分析和瞬态动力学分析。研究周期和非周期载荷的对机床对动态的响应。上海交通大学有关研究人员通过对高速立式铣床XH786A的结构进行模态分析，对机床主要零、部件筋板布局形式做了优化设计，提高整机的动、静态性能。对薄弱环节进行了拓扑优化，得到了较好的优化结果。华中科技大学有关研究人员针对EQD18设计中的若干里要问题进行研究，对加工中心整体进行有限元分析，提出一种用自定义单元处理结合面刚度的方法，确定了加工中心静刚度、振动频率和动刚度的理论值并提出一些机床改造的措施。东南大学有关研究人员在分析机床主轴系统内部热源、边界条件的基础上，建立了机床主轴系统温度场的有限元模型。基于有限元法对两类机床主轴系统温度场进行了详细的分析。大连理工大学有关研究人员在沈阳机床集团VTMlolo立式车铣复合加工中心设计的基础上将部件模型进行虚拟装配，对模型进行静态和动态分析，根据分析的结果及以前设计的经验，对结构不合理的地方进行改进设计，通过有限元分析软件ANSYS对模型进行了静态仿真分析，得到整体结构特性得出实际可行的机床设计方案。综上所述，随着有限元技术的发展及广泛应用，各高校、研究机构及企业正在越来越多的将有限元方法应用于机床的结构设计研究，并以此提高了机床结构设计的效率和质量。参考文献1.费春华,应济,贾昱等.KA6916重型数控落地铣镗床结构热态设计研究J.宁波大学学报,1997,10(3):P49532.周军，殷国富，陈珂等.高速卧式加工中心床身结构模态优化设计研究J.机械制造,2011,49(559):P37413.陈琪,高建和，宋子玲等.数控转塔冲床床身有限元分析与优化J.科技信息,2010,(27):P44454.杨明亚,杨颖洁.一种数控机床床身的动力学分析与优化设计J.现代机械，2010,(2):P1415 5.王金生,翁泽宇,姚春燕等.ANSYS 在数控铣床热特性分析中的应用J.浙江工业大学学报,2004,32(3):P2552596.周芝庭,冯建芬.基于ANSYS的加工中心机床热特性有限元分析J.机械制造与自动化,2008,37(6):P 22247.杨峰,尹志宏，屈涛.基于有限元的一体斜床身热应力分析J.组合机床与自动化加工技术,2010,(2):P 46498.郭学祥,胡友民,夏军勇等.基于有限元分析的机床导轨热变形研究J.组合机床与自动化加工技术,2007,(3):P 8119.杨文通,程巍，刘志峰等.数控铣床铣头在ANSYS中的热特性分析J.机械设计与制造,2008,(12):P 16516610.闫占辉,于骏一.机床热变形的研究现状J.吉林工业大学自然科学学报, 2001,31(3):P 959711.倪晓宇,易红,汤文成等.机床床身结构的有限元分析与优化J.制造技术与机床,2005,(2):P 475012.杨明亚，杨涛，阴红等.有限元分析软件在机床床身模态分析中的应用J.机电工程技术, 2007,36(1):P 252713.MParedes，MSartor，CMascletAn optimization process for extension spring designJComputer Methods in Applied Me ehanics and Engineering,2001, 191(8):P 78379714.VYildirimFree vibration of uniaxial composite cylindrical helical springs with circular section J. 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International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, 43(5):P 453462-1-三课题研究的主要内容及拟解决的问题和预期效果：1. 主要研究内容(1)采用三维建模软件SolidWorks对TK69整机进行基于初步设计的CAD三维实体建模。(2)根据实际工作情况及需要，运用Solidworks软件对床身作进一步合理的简化然后输出文件，以.x-t格式保存，输入ANSYS进行有限元分析。其中在建模中，为了避免造成在有限元网格划分时出现过密网格，从而导致计算速度缓慢，可以将模型中的一些小结构，如小孔、小凸台等简化掉，这样对模态分析结果的影响不大。(3)分析床身在实际工况下的受力及变形，把典型工况下的切削力、床身上各机床零件的重力折算到床身上，得到切削位置分别位于工件两端和中间时床身栽荷参数。(4)综合有限元优化设计研究的方法，通过对TK69床身Blocklanczos法计算出动态特性，得到其前10阶固有频率和振型。(5)运用经典有限元软件ANSYS对床身进行静力分析、热分析和热力耦合分析，得到床身静态特性。(6)采用计算机辅助分析与经验设计相结合的方法，依据有限元分析的数据，对于变形较大处，运用有限元的方法进行减重及优化分析，探讨外部静力载荷、温度场以及两者相互作用时对床身应力应变的影响。2. 拟解决问题(1)采用三维建模软件Solidworks对TK69整机CAD三维实体建模，根据实际工作情况及需要，作进一步合理的简化后建立有限元分析模型。(2)利用ANSYS软件建立床身模型并进行结构静刚度分析、模态分析和谐响应分析，得出固有频率和振型，并对结果进行分析。(3)利用ANSYS软件对床身模型进行稳态热分析，以此为基础对机床加工过程中不同外部载荷的交叉作用和相互影响进行探讨。基本研究分析流程如下：建立TK69床身的CAD模型TK69床身的模态分析建立TK69床身的有限元模型对床身筋板进行优化设计TK69床身的静力分析对优化后床身进行静态动态及热分析TK69床身的热分析分析优化结果3. 预期效果通过课题的开展，对TK69镗铣床整机进行建模，通过对机床床身的有限元分析，从而可以进行床身筋板结构优化，确定合理的床身结构，减少设计成本，本并为该床身实际生产应用提供一定的理论依据。-2-四实验设计方案及所需要的主要设备、仪器、材料（名称、规格型号）及其数据（实验大纲另订）。设计方案1. 利用Solidworks软件建立机床三维模型，着重床身部分建模；2. 对所建床身模型进行简化，并导入有限元软件ANSYS中建立有限元模型；3. 对模型进行有限元分析，保存分析结果；4 对分析结果进行验证，对原方案进行评价，对床身进行优化；主要设备1电脑一台；CPU：Intel 酷睿2四核 Q8200、主板：华硕 P5Q SE、内存：金士顿 4GB DDR2 800窄版、硬盘：西数 320G、显卡：影驰 9600GT加强版； 2三维造型软件Solidworks2007；3有限元分析软件ANSYS10.0。-3-五关键问题，现有条件及解决办法：1. 关键问题（1）利用Solidworks对机床进行三维建模；（2）运用ANSYS进行有限元分析时，计算精度的选择；（3）机床床身主要热源计算及机床各部件采用的冷却方法。2. 现有条件（1）国内关于镗铣床的专著书籍、手册、论文等相关材料；（2）厂家提供的TK69镗铣床二维CAD图纸；（3）与大型数控镗铣床有关的论文、电子期刊；（4）实验室各位老师的指导。3. 解决办法（1）加强对类似机