大学本科生研究生毕业设计开题报告范例最佳范文Word格式文档下载.docx

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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及床身结构优化设计

毕业设计的

内容和意义

课题背景：

（标题按小四黑体）

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，那么靠什么及对手进行竞争？

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（FiniteElementAnalysis）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及动力学模拟分析，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及动力学模拟分析，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、优化及仿真计算，所建的模型由试验数据进行修正。

我国机床工业至今仍及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及控制相结合的研究【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及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及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，但及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及优化设计研究[D]，南京：

东南大学博士学位论文，2001

2.毛海军，新一代数控内圆磨床的动力学建模及优化[D]，南京：

东南大学博士学位论文，2000

3.李增刚，ADAMS入门详解及实例[M]，北京：

国防工业出版社，2006

4.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，2008.1

5.Biabchi.G,Paolucci.F,TowardsVirtualEngineerinMachineToolsDesign.AnnalsoftheCIRP,1996,45

（1）:

381～384

6.Jiang.T,Chirehdast.M.A,SystemApproachtoStructuralTopologyOptimization:

DesigningOptimalConnections.JournalofMechanicalDesign,1998,（12）:

619～621

7.侯红玲，基于ADAMS和ANSYS的动力学仿真分析[J]，现代机械，2005（4）:

62～63

8.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）:

35～38

9.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.1987

10.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）:

11.汤文成，工程结构分析的现状及应用的若干问题[J]，计算机辅助设计及制造，1996（10）:

17～19

12.汤文成，板厚对机床床身的动静特性的影响[J]，制造技术及机床，1997（3）:

28～31

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

研究计划：

第一周：

资料收集及文献检索

第二周：

英文资料翻译

第三周：

编写开题报告

第四周：

提交开题报告

第五周：

学习软件及建立磨床三维建模

第六周：

第九周：

动力学分析

第十周：

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：

第十五周：

第十六周：

提交论文并完成答辩

特色及创新

1.利用ADAMS软件对MK2110磨床进行动力学仿真，绝大多数研究还是主要应用ANSYS作分析。

2.运用了先进的三维建模软件实现对复杂模型的建立，弥补了有限元分析软件ANSYS建模功能的不足。

3.将电主轴芯柔性化，对整体进行动力学仿真。

4.针对ANSYS软件不适合机械动力学分析,ADAMS软件不适合有限元分析的状况,将ANSYS和ADAMS两种分析软件结合起来对柔性体进行仿真分析。

5.在有限元分析过程中综合运用了静刚度分析，模态分析等常用分析方法。

6.提出新的改变筋板布局的方式，对床身进行优化设计。

意见

指导教师签名：

年月日

教研室意见

院部意见

主任签名：

教学院长签名：

毕业设计（论文）开题报告

注：

可重点参考该开题报告的内容，排版格式等以机械工程学院要求为准。

指导教师姓名

所在系部

课题性质

钢筋混凝土多层、多跨框架软件开发

1.1课题任务

改造平面钢架分析程序；

编制现浇钢筋混凝土多层、多跨的框架机构的构件设计程序。

1.2研究背景：

建筑指各种房屋及其附属的构筑物。

建筑结构是在建筑中，由若干构件，即组成结构的单元如梁、板、柱等连接而构成的能承受作用或称荷载的平面或空间体系。

所要编写的结构程序是混凝土的框架结构的设计。

编写依据为建设部新出台的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002。

该规范及原混凝土结构设计规范GBJ10-89相比，新增内容约占15％，有重大修订的内容约占35％，保持和基本保持原规范内容的部分约占50％，规范全面总结了原规范发布实施以来的实践经验，借鉴了国外先进标准技术。

1.3研究意义：

建筑中，结构是为建筑物提供安全可靠、经久耐用、节能节材、满足建筑功能的一个重要组成部分，它及建筑材料、制品、施工的工业化水平密切相关，对发展新技术。

新材料，提高机械化、自动化水平有着重要的促进作用。

由于结构计算牵涉的数学公式较多，涉及的规范和标准很零碎，并且计算量非常之大，近年来，随着经济进一步发展，城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化，更加剧了房屋设计的复杂性。

许多高层建筑不断的被建造，这些建筑无论从时间上还是从劳动量上，都需要借助计算机辅助设计。

因此结构软件开发就显得尤为重要。

建筑结构设计是否合理，主要取决于结构体系、结构布置、构件的截面尺寸、材料强度等级以及主要机构构造是否合理，这些问题已经正确解决。

结构计算、施工图的绘制则是件令人辛苦的工作。

本课题将结构设计计算运用到具体的程序代码中去，不仅要利用所学的结构知识来设计出做法，还要将这些做法用代码来实现。

在不同类型的结构设计中有些内容是一样的，做框架结构设计时关键是要减少漏项、减少差错，计算机也是如此。

建筑结构设计国家标准见GBJ68－84。

该标准是为了合理地统一各类材料的建筑结构设计的基本原则，是制定工业及民用建筑结构荷载规范、钢结构、薄壁型钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构等设计规范以及地基基础和建筑抗震等设计规范应遵守的准则。

制定其它土木工程结构设计规范时，可参照此标准规定的原则。

本标准适用于建筑物包括一般构筑物的整个结构，以及组成结构的构件和基础；

适用于结构的使用阶段，以及结构构件的制作、运输及安装等施工阶段。

本标准引进了现代结构可靠性设计理论，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定，即将各种影响结构可靠性的因素都视为随机变量，使设计的概念和方法都建立在统计数学的基础上，并以主要根据统计分析确定的失效概率来度量结构的可靠性，属于“概率设计法”，这是设计思想上的重要演进，也是当代国际上工程结构设计方法发展的总趋势。

我国在设计规范或标准中采用概率极限状态设计法，是迄今为止采用最广泛的国家。

2.1结构常见的作用效应

（1）内力

轴向力即作用引起的结构或构件某一正截面上的法向拉力或压力；

剪力即作用引起的结构或构件某一截面上的切向力；

弯矩即作用引起的结构或构件某一截面上的内力矩；

扭矩即作用引起的结构或构件某一截面上的剪力构成的力偶矩。

（2）应力

如正应力、剪应力、主应力等。

（3）位移

作用引起的结构或构件中某点位变线位移或某线段方向的改变角位移。

（4）挠度

构件轴线或中面上某点在弯短作用平面内垂直于轴线或中面的线位移。

（5）变形

作用引起的结构或构件中各点间的相对位移。

变形分为弹性变形和塑性变形。

（6）应变

如线应变、剪应变和主应变等。

2.2极限状态

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。

极限状态可分为：

结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形的极限状态：

①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡如倾覆等；

②结构构件或连接因材料强度被超过而破坏，包括疲劳破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载；

③结构转变为机动体系；

④结构或结构构件丧失稳定如屈曲等。

（2）正常使用极限状态。

结构或结构构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态。

出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：

①影响正常使用或外观的变形；

②影响正常使用或耐久性能的局部损坏包括裂缝；

③影响正常使用的振动；

④影响正常使用的其它特定状态。

2.3结构设计的基本方法

在结构的可靠及经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使所建造的结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能满足预定的安全性、适用性和耐久性等功能要求。

为达到这个目的，人们采用过多种设计方法。

以现代观点看，可划分为定值设计法和概率设计法两大类。

（1）定值设计法

将影响结构可靠度的主要因素如荷载、材料强度、几何参数、计算公式精度等看作非随机变量，而且采用以经验为主确定的安全系数来度量结构可靠性的设计方法，即确定性方法。

此方法要求任何情况下结构的荷载效应S——内力、变形、裂缝宽度等不应大于结构抗力R——强度、刚度、抗裂度等，即S≤R。

在20世纪70年代中期前，我国和国外主要都采用这种方法。

（2）概率设计法

将影响结构可靠度的主要因素看作随机变量，采用以统计为主确定的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性的设计方法，即非确定性方法。

此方法要求按概率观念来设计结构，也就是出现结构荷载效应大于结构抗力S＞R的概率应小于某个可以接受的规定值。

这种方法是20世纪40年代提出来的，至70年代后期在国际上已进入实用阶段。

我国自80年代中期，结构设计方法开始由定值法向概率法过渡。

2.4面向对象编程

使创建Windows程序较为容易的关键技术是面向对象编程，或OOP。

这种技术可以创建可重用组建，它是程序的组成模块。

2.5几个定义

控件提供程序可见界面的可重用对象。

控件的示例有文本框、标签和命令按钮。

事件由用户或操作系统引发的动作。

事件的示例有击键、单击鼠标、一段时间的限制，或从端口接收数据。

方法嵌入在对象定义中的程序代码，它定义对象怎样处理信息并响应某事件。

例如，数据库对象有打开纪录集并从一个记录移动到另一个记录的方法。

对象程序的基本元素，它含有定义其特征的属性，定义其任务和识别它可以响应的事件的方法。

控件和窗体是VisualBasic中所有对象的示例。

过程为完成任务而编写的代码段。

过程通常用于响应特定的事件。

属性对象的特征，如尺寸、位置、颜色或文本。

属性决定对象的外观，有时也决定对象的行为。

属性也用于为对象提供数据和从对象取回信息。

参考文献

1．国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010－2002，北京：

中国建筑工业出版社2002

2．国家标准《PKPM系列软件应用手册》，中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部

3．行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3－2002，北京：

中国建筑工业出版社，2002

4．国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011－2001，北京：

中国建筑工业出版社，2001

5．霍达.高层建筑结构设计[M].北京：

高等教育出版社，2004

6．季韬，黄志雄.多高层钢筋混凝土结构设计[M].北京：

机械工业出版社，2008

7．青山博之[日]，张川译.现代高层钢筋混凝土结构设计[M].重庆大学出版社，2006

8．李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化及合理构造[M].北京：

中国建筑工业出版社，2008

9．陈岱林，赵兵，刘民易.PKPM结构CAD软件问题解惑及工程应用实例解析[M].北京：

中国建筑工业出版社，2009

10．王祖华，蔡健.高层建筑结构设计.广州：

华南理工出版社，2008

11．张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例.北京：

中国建筑工业出版社，2005

12．周坚.高层建筑结构力学.北京：

机械工业出版社，2005

13．和泉正哲[日]，薛松涛,陈镕译.建筑结构力学.西安：

西安交通大学出版社，2003

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15．任金宏，常建军.钢筋混凝土多层框架结构房屋结构设计中应注意的几个问题.陕西建筑，2007，（145）：

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16．叶菁.钢筋混凝土框架结构设计要点及注意事项.甘肃科技纵横,2010，39（5）：

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17．刘炳寅.高层框架结构设计和施工中的现实问题.山西建筑，2009，35（3）：

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18．陈东生，何沛祥.高温下钢筋混凝土框架结构变形和内力的数值分析.安徽建筑工程学院学报（自然科学版），2010，18（5）：

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19．ZhangWangxi，YiWeijian，XiaoYan，etal.Interactionperformancebetweenframesandstairsoftypicalteachingbuilding“5.12”WenchuanEarthquakeDisaterArea[J].JournalofArchitectureCivilEngineering，2009,26

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20．CaoWanlin,WangGuangyuan,LiuJianmin,etal.Experimentalstudyonstorystiffnessanditsdegenerationofstaircaseframestructurewithspecialshapedcolumns[J].JournalofBuildingStructures，1998,19

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21．CaoWanlin,PangGuoxin,LiYunxiao.Thetestresearchonelasticfloorrigidityofframewithstaircase[J].WorldinformationonEarthquakeEngineering，1996，

（2）：

29－32

22．BruceEllingwood，T.D.Lin.Flexureandshearbehaviorofconcretebeamsduringfires[J].JournalofStructuralEngineering，1991，117

（2）：

440－458

（1）平面钢架分析程序的改造

对结构力学教研室版平面钢架分析程序进行修改和补充。

要求：

①编写自动生成节点坐标和单元节点编号的程序，或以图形方式输入计算简图。

②修改程序，使之适合多工况内力计算；

③根据输入、输出数据的特点，设计适当的人机界面。

输出应可选的显示各构件端力和内力图。

（2）编写钢筋混凝土多层多跨框架机构的构件设计程序①根据有关的规范，应明确计算的各种荷载恒载、楼屋面活载、风荷载和地

震作用等的计算方法，在此基础上编写自动生成各种荷载作用下的结点荷载和单元荷载的程序。

地震作用按底部剪力法确定。

自振周期用经验公式确定。

②计算各种荷