南京大学南京大学毕业设计开题报告毕业设计开题报告课 题 名 称： MK2110MK2110 数控磨床动力学模拟与床身数控磨床动力学模拟与床身 结构优化设计结构优化设计（楷体三号加粗）（楷体三号加粗） 学 生 姓 名： 王亮王亮 学 号： 201020121201020121 指 导 教 师： 赵丽赵丽 讲师讲师 李艳李艳 讲师讲师 所在院(系)部： 机机 械械 工工 程程 学学 院院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化（机械设计）机械设计制造及其自动化（机械设计）2012 年 00 月 00 日按照要求日期填写按照要求日期填写说说 明明1根据南京大学毕业设计(论文)工作管理规定 ，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告 ，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于 2000 字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而成的开题报告按不合格论。5开题报告检查原则上在第 24 周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。毕业设计毕业设计(论文论文)开题报告开题报告学生姓名王亮学 号201020121专 业机械设计制造及其自动化（机械设计）指导教师赵丽、李艳职 称讲师、讲师所在院(系) 机械工程学院课题来源自拟课题课题类型工程技术研究课题名称MK2110 数控磨床动力学模拟与床身结构优化设计毕业设计的内容和意义课题背景：(标题按小四黑体标题按小四黑体)随着全球经济一体化的形成，整个机床行业的市场竞争必将愈演愈烈。目前，国内机床产品的技术水平还相对落后，就设计方法而言，尚处于经验、静态和类比的传统设计阶段，对动力学模拟和结构动态特性考虑得不多，动态优化软件使用率也相对较低。新产品开发缺少结构动力学建模和优化的动态设计方法，就很难提高机床质量和生产效率【1】。中国的机床制造行业的形势将变得更为严峻，将面临更为强大的竞争对手，如果我们的机床制造企业还没有先进的设计制造手段作为技术支撑，仍然抱着传统的设计方法不放，那么靠什么与对手进行竞争？如何在国外高档机床大举进攻中国市场的严峻形势下，保留住中国机床原有的半壁江山？然而可喜的是，国内己有许多制造企业和科研院所认识到了这一点，高档机床的设计制造是战略行业，中国不能在这种行业上受制于人，必须加快先进动态设计技术向具体产品开发的应用转移。东南大学、天津大学和昆明理工大学等高校在这方面己进行了研究，取得了一定的成果【2】。为此，本毕业设计以 MK2110 数控磨床的数学模型为基础，着重对磨床的动力学和床身的结构优化设计进行了细致的研究。 （小四（小四宋体）宋体）课题内容：1提出：对于高速磨床来说，磨削精度是影响磨削质量的关键因数，而电主轴芯在磨削过程中的运动变形又是影响磨削精度（如表面磨削波纹等）的重要因素。用传统的刚性体来模拟电主轴芯的运动难以精确地模拟实际工况下变形情况，若不考虑柔性体的影响，将会宋体五号，以下宋体五号，以下 四行同四行同页码起始页页码起始页毕业设计的内容和意义存在很大的误差。所以，有必要用柔性体代替刚性体对电主轴芯进行动力学分析。磨床床身是磨床的重要基础件，起着支撑工件、工作台、床头箱和内圆磨削装置关键部件的作用。它的动态特性和静态特性直接影响磨床的加工精度和工件的表面粗糙度，关系到磨床是否能安全可靠的工作及整机的使用寿命。因此有必要了解床身结构本身具有的刚度特性和动态特性，对其进行优化设计，以提高磨床整体的动静态性能。2解决方法：虚拟样机技术是在设计阶段就对设计的产品进行性能测试，从而使生产出来的产品最大可能的满足设计目标。通过运用 ADAMS 软件对刚性体和柔性体模型整体进行动力学仿真【3】。运用有限元 ANSYS 软件对床身进行静刚度分析和模态分析，通过改变床身内部筋板布局对其进行结构优化。有限元（Finite Element Analysis）的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析【4】。3设计内容：针对该磨床进行力学分析，应用动力学分析软件ADAMS 进行工作状态下运动学与动力学模拟分析，并应用有限元软件 ANSYS 进行静刚度分析、模态分析和结构优化。其中静刚度分析主要是研究磨床床身在固定载荷的作用下的变形及应力状况，这对掌握机床的机械特性大有帮助；其次，床身结构的动态特性是影响磨床产品性能的关键因素之一，而研究其动态特性的方法主要是进行模态分析，主要内容是确定磨床床身的震动特性既固有频率和主振型，它们是承受动载荷的重要参数；最后是通过改变磨床床身内部筋板布局，分析各布局的动静态特性，进行结构优化。 课题意义：建立一个真正反映结构系统动态特性的磨床动力学模型，仅仅是进行结构动态优化设计的先决条件，而不是最终的目的。动态设计的最终目的，是利用系统的动力学模型以期获得一个具有良好的静、动态性能机床结构产品设计方案。 通过对磨床进行力学分析，应用动力学分析软件 ADAMS 进行工作状态下运动学与动力学模拟分析，通过虚拟试验和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进方案。应用有限元分析ANSYS，对床身进行静力学分析和模态分析，可以通过变形云图，查看结构的薄弱环节以及结构固有频率，通过对薄弱环节的分析，提出解决方案，优化结构 。文献综述国内外研究现状：目前，磨床的动特性分析主要以有限元法为主，随着计算机技术的发展，普遍采用通用的工程有限元软件进行建模、优化与仿真计算，所建的模型由试验数据进行修正。我国机床工业至今仍与国外存在着技术上的差距，不少国外机床在样本中标明他们的床身、立柱等基础件经过了有限元分析，因而具有优异的动、静刚度、热变形等性能，但我国的机床样本中做的很少。不过我国高校、研究所等单位已经拥有了这方面的技术资源。美国 Catholic 大学 GBiabchi 等进行了机床的动态设计与控制相结合的研究【5】，Michigan 大学的 T.Jiang 和 M.Chiredast 在应用有限元法和动态分析的基础上，利用数学模型来模拟机床结构的联接形式，建立了机床整机的动力学模型，并对机床结合面联接件的位置与数量进行了拓扑优化设计【6】。陕西理工学院侯红玲等在对机械系统进行运动学分析时，将ANSYS 与 ADAMS 两个软件结合使用，可以精确模拟整个系统的运动，取得动力学仿真结果。ADAMS 软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是刚体，但与 ANSYS 软件结合使用可以考虑分析零部件的弹性，同样 ADAMS 的分析结果可为 ANSYS 分析提供相应的边界条件。这些工作对于支持并加快提升企业的自主技术创新能力具有一定的意义【7】。东南大学的陈新、孙庆鸿在 ANSYS 软件上建立高精度内圆磨床M2120A 整机结构动力学模型和动力学分析。在建模过程中，分别采用体单元、弹簧阻尼单元和 3D 梁单元、三维接触单元模拟主要零部件、转子系统和结合部【8-9】，该方法采用有限元法，用商品化软件进行建模和分析，全部采用软件中的现有单元，其效率和精度高。汤文成等【10-12】对床身结构的静、动态特性进行分析和优化设计，通过分析和研究得出改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身床身结构的静、动态特性的有效手段，并且提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的主要依据，建立了床身的结构模型，以床身的结构参数为设计变量，各设计变量对床身动态性能贡献加权作为结构优化设计的目标函数，最后得到最优的床身设计方案，同时在机床的参数化设计等方面进行了有益的尝试。通过以上的 综述可以看出， 应用 ADAMS 软件对机床结构动态特性的研究基本以机床单件或部分子结构的组合为对象，从整机的角度建立包括主轴转子系统在内的整机完整的动力学模型进行研究 相对较少，而且运用柔性体理论对磨床整体进行动力学仿真分析也不多见，大部分还是刚性体仿真。另外，对床身进行优化设计时还是局限于改变筋板横向或径向数目进行优化设计。参考文献：1. 陈新，高精度内圆磨床结构动力学建模与优化设计研究D，南京：东南大学博士学位论文， 20012. 毛海军，新一代数控内圆磨床的动力学建模与优化D，南京：东南大学博士学位论文， 20003. 李增刚， ADAMS 入门详解与实例 M，北京：国防工业出版社，20064. 张朝晖， ANSYS11.0 结构分析工程应用实例解析（第二版）M，北京：机械工业出版社， 2008.15.Biabchi.G,Paolucci.F,Towards Virtual Engineer in Machine Tools Design.Annals of the CIRP,1996,45(1):3813846.Jiang.T,Chirehdast.M.A,System Approach to Structural Topology Optimization:Designing Optimal Connections.Journal of Mechanical Design,1998,(12):6196217. 侯红玲，基于 ADAMS 和 ANSYS 的动力学仿真分析J，现代机械，2005（4）:62638. 周德廉，陈新，孙庆鸿，高精度内圆磨床整机动力学建模及优化设计.东南学学报 .2001,31(2):35389. 陈新，机床结构的动力学模型建立及其动态优化设计D，黑龙江：哈尔滨工业大学硕士论文 .198710.汤文成等，机床大件结构的拓扑优化设计 J，东南大学学报，1996(5) :353811. 汤文成，工程结构分析的现状与应用的若 干问题J，计算机辅助设计与制造， 1996(10):171912. 汤文成， 板厚对机床床身的动静特性的影响 J，制造技术与机床，1997(3) :2831研究内容研究内容:针对 MK2110 数控内圆 磨床，应用 多体动力学分析软件ADAMS 进行工作状态下 刚性体动力学仿真。将电主轴芯柔性化，进行工作状态下柔性体动力学仿真。应用有限元软件 ANSYS 对磨床床身进行 静力学分析、模态分析和结构优化。其中静 力学分析主要是研究磨床床身在 最大工作 载荷的作用下的变形及应力状况，这对掌握机床的机械特性大有帮助；另外床身结构的动态特性是影响磨床产品性能的关键因素之一，通过模态分析研究其动态特性，确定磨床床身的 振动特性和主振型，它们是承受动载荷的重要参数；最后对磨床床身进行结构优化，通过改变床身内部筋板布局， 分析各种布局的振动特性和静态特性 ，选择最优的方案。研究计划：第一周：资料收集与文献检索第二周：英文资料翻译第三周：编写开题报告研究计划第四周：提交开题报告第五周：学习软件与建立磨床三维建模第六周：学习软件与建立磨床三维建模第九周：动力学分析第十周：动力学分析第十一周：结构分析第十二周：结构优化分析第十三周：编写论文第十四周：编写论文第十五周：编写论文第十六周：提交论文并完成答辩特色与创新1.利用 ADAMS 软件对 MK2110 磨床进行动力学仿真，绝大多数研究