研究生学位论文开题报告

 
一、课题的来源及意义：

课题来源（研究背景）：
随着社会进步和科学技术的发展，机床设计思想也在不断进步、发展和完善。上世纪60年代中期以来，科学技术发展的新成就为机床设计提供了大量的测试数据，尤其是电子计算机的出现和应用，使得机床设计思想发生了根本改变，现代机床设计思想进入了一个以试验研究与理论计算为基础相结合的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作方法，不仅寻求机床产品本身的最佳化，还要实现从机床设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统的最佳化。现代机床设计思想是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想。计算机技术发展催生了CAD/CAE/CAM/CAPP等新技术的发展和完善。现代机床设计的主要思想是把机床实体用CAD技术转换为三维模型，通过提供的数据和选定的目标函数，用CAE（计算机辅助工程）技术进行分析、计算并选定最终方案。
我国船舶行业的发展对国内相关机械加工设备提出了新的具有挑战性的要求，尤其是大型船用发动机的核心部件——曲轴——的精密磨削加工对磨床设备要求非常高。磨床作为装备制造业的精加工工作母机，其发展水平直接反应一个国家制造业的技术水平。大型高精度磨床设备对提升国家的综合实力具有战略意义。长期以来，大型船用曲轴的精密磨削加工一直依赖于进口设备，进几年随着经济和技术水平的发展，国内的机床制造商也开发出了能够对大型船用曲轴进行精密磨削加工的磨床设备，但是我们具有自主知识产权的磨床设备综合性能与国外同类型的设备比较还有不少差距。在CAD/CAE/CAM技术不断发展的今天，改变传统的完全依赖经验进行设计或试验设计方法，利用现代设计方法与试验相结合，设计制造出高品质的磨床加工设备，具有现实意义
课题意义：曲轴作为船用发动机的核心部件，被视为船用柴油机的“心脏”，曲轴加工技术水平对船舶行业的发展起着决定性的作用。船用大型柴油机曲轴重量大、加工精度要求高、制造技术难度大，多年来，由于国产设备上的制约，一直依赖进口。中国已成为世界造船大国，但船用配套设备一直是我国造船业的软肋，日本、韩国船用配套设备自给率达到85%以上，我国作为世界第三大造船国，船用配套设备自给率为30-40%。据统计，我国大型船用曲轴年生产能力为40根左右，而目前我国每年需要大型船用曲轴预计可达400根，绝大部分曲轴只能依靠进口，增加了船舶的生产成本。这对船舶工业的健康发展造成了明显的瓶颈制约。
本课题来源于国内某机床设备制造商的实际课题。该制造商生产的船用曲轴磨床，其加工对象——曲轴的重量加上和头尾架及工装夹具的重量很重，存在重心分布不均，同时在加工过程中产生的交变载荷，会使床身发生不规则变形，最终影响曲轴的磨削精度。大型船用曲轴磨床床身重量重，内部构造复杂。依靠传统设计方法对其进行优化只能凭借经验，而且每次进行优化的效果的对比都需要实际模型，这样的优化方案需要大量的人力、物力和时间。通过虚拟样机和CAE技术能快速建立磨床床身的结构模型并对模型进行动态分析，修改某项参数，比较相应结果，并通过验算或实际测试加以验证，直至达到满意的动态性能，最后获得最优动态设计方案。对数控曲轴磨床床身动态优化设计研究，对实现机床动态特性最优和指导实际生产都具有重要意义。
二、简述该领域目前的国内外先进水平
1 CAE技术的发展及现状
CAE （Computer Aided Engineering）——计算机辅助工程分析主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
CAE技术的研究始于20世纪50年代中期， CAE软件出现于70年代初期，80年代中期CAE软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。早期的CAE软件的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。近十多年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程中各类问题的一种重要手段。
CAE软件对工程和产品的分析与模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学性能，具有较强的分析模拟能力。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库，特别是在并行计算机环境下运行，先进高效的求解演算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。
目前国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、MODULEF、DYN-3D等，其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面较以前都有了巨大的发展。前后处理是CAE软件实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键性软件成份，它们通过增设与相关软件（如Pro/E、UG、Solid edge以及Solid works、MDT 等软件）的接口数据模块，实现有效的集成，通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用。
2  机床结构动、静态分析与优化技术
   实际工程中，对于诸如机床这类复杂机械结构进行动力学和静力学分析，为了得到精确解析解，需要借助数值方法来近似。使用数值方法对结构进行分析可分为两大类：有限差分法和有限元法。有限差分法需要针对每个节点写微分方程，并用差分方程代替导数，产生一组线性方程。使用该方法对于简单求解是易于理解和应用的，但难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的结构问题。有限云法假设每个单元的近似函数和边界条件是连续的，通过结合各个单独解产生系统的完全解，易于解决复杂结构的分析问题。
随着计算机技术的发展和有限元软件的不断完善，有限元分析法越来越多应用于对复杂结构的动、静力学分析上。这也是目前机床行业进行结构动、静力学分析采用的最主要的分析与优化方法。

三、课题所要研究的内容及实施方案：

研究内容：本课题主要研究对象是大型船用曲轴磨床床身的刚度问题，通过刚度分析对床身内部筋板进行优化处理，从而提高曲轴磨床的加工精度，使其能够加工更高品质的曲轴。
具体实施方案：
1．几何建模：根据实物建立1:1参数化模型。
2． 物理建模：
（1）严格按照实际要求，给模型中的每个具体部件添加各自的材料等一系列物理特征。
  （2）模拟机器的实际工作状态进行边界约束和载荷加载，包括固定方式，重力等载荷的大小和方向等。
3. 有限元分析：对模型划分单元，进行有限元分析，得到机床床身的一系列重要数据，如变形量、应力等。
4. 结果分析：通过得到的数据分析，找出影响床身变形的主要原因。
5.  优化方案：在预先设定的优化约束条件下，对床身进行优化处理，减小床身的变形量。
6. 分析优化方案：分析优化后的方案，测量和记录关键数据并和优化前的数据进行对比，找出尽可能节约成本的优化方案。
7. 整理报告：整理、总结、报告。
四、主要关键技术

1有限元分析
有限元分析法是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，通过对分析对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。这种方法20世纪50年代起源于航空工程中飞机结果的矩阵分析。这种处理问题的思路，在60年代年被推广用来求解弹性力学的平面应力问题，并且开始采用“有限单元法”这个术语。然而，对于一个连续体，实际上是由无限多个单元所组成的，这就使得实现数值解发生了困难。克服这个困难的办法是把连续体离散化，然后借用结果矩阵分析的方法来处理。首先是把结构离散化。其次是把各个单元的特征用简单的函数近似地表示。最后把所有单元的这种特性关系集合起来。
目前使用的有限元分析方法，主要有三种，即p法，h法和hp法。所谓p法，它的位移函数的形函数采用多项式函数，目前最多为9次函数。因而，它的解析精度的提高是可以依靠自动拉升多项式函数的阶数来解决。h法的位移函数的形函数采用线性函数，提高解析精度时，必须在每次解析前，细划分单元网络才可以达到，它需要一定的专业知识与技巧，划分单元网络也比较麻烦。尽管hp法是采用了上述两种方法的优点，即自动拉升多项式函数的阶数和自动细划分单元网络来提高解析精度，是一种非常理想的方法，但它仅处于研究阶段，还没有达到实用化。
有限元分析总体上可分成三个部分：前处理、主分析计算及后处理。前处理包括：建立几何模型、定义材料、定义单元、定义载荷与约束、划分网格生成有限元模型。主分析计算即对有限元模型的求解，后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。利用Pro/engineer在CAD/CAE/CAM上的高度集成，设计时可用Pro/engineer软件建立几何模型，建模后直接进入Pro/mechanical进行有限元分析，求出满足设计条件的最优方案。
2 结构拓补优化
结构优化设计是1960年代发展起来的一门学科，它将数学理论中的最优化理论与工程设计相结合，使工程设计人员可以再解决工程设计问题时，可以从诸多设计方案中找到最有或者尽可能完善的设计方案。
由于设计变量类型的不同，结构优化设计可以分为由易到难的四个不同层次：尺寸优化、形状优化、拓扑布局优化。由于拓扑优化设计的难度较大，被公认为是当前结构优化领域内最具有挑战性的课题之一。但是在工程应用中，拓扑优化可以提供概念性设计方案，取得的经济效益比尺寸优化、形状优化更大，因此，拓扑优化技术对工程设计人员更具吸引力，已经成为当今结构优化设计研究的一个热点。
3  虚拟样机技术
虚拟样机技术（Virtual Prototyping VP）是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术糅合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的 整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术是从分析产品整体性能及相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程中弊端的技术。通过虚拟样机技术，工程设计人员可以直接利用CAD系统提供的各种物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷、仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最有设计方案，再制造出物理样机。
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