機(jī)械論文開題報告

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1、目的及意義(含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析)

 

精密加工和超精密加工時發(fā)展尖端技術(shù)的基礎(chǔ)，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。我國從‘“九五”規(guī)劃開始，已將其列為關(guān)鍵技術(shù)之一。精密、超精密加工技術(shù)是包括精密微加工、精密測量和精密控制的一門綜合學(xué)科，而精密微致動技術(shù)是其中的關(guān)鍵 。

 

目前超精密加工中所使用的刀具大多采用基于壓電陶瓷材料(pzt)的致動元件，其輸出功率低，且必須采取有限措施防止沖擊力和高驅(qū)動電壓造成的擊穿短路等問題。因此采用超磁致伸縮材料制成的超磁致伸縮驅(qū)動器(gma)成為近年來研究微致動技術(shù)的熱點(diǎn)。它的發(fā)展，勢必促進(jìn)微致動技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)(mems)和超精密加工、半導(dǎo)體生產(chǎn)、光學(xué)加工等領(lǐng)域的應(yīng)用 。

 

國外在超磁致伸縮致動器(gma)的研究方面取得了很多理論及應(yīng)用成果，日本用直徑6mm的超磁致伸縮棒制備了精密機(jī)床工具伺服裝置,其每平方毫米面積閃的驅(qū)動力為588n，是壓電材料(pzt)的20倍，加工單晶硅晶面的平均粗糙度為1.9nm 。美國etrema公司開發(fā)的大行程精密terfenol-d致動器應(yīng)用在活塞非圓加工機(jī)床上，最大行程為640μm(最大動態(tài)行程350μm)，位移精度達(dá)2%±1.1μm，最大輸出力為2670n。另一超磁致伸縮驅(qū)動器的應(yīng)用領(lǐng)域是微型馬達(dá)，包括直線馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，德國l.kiesewetter教授研制的超磁致伸縮蠕動型直線馬達(dá)，可產(chǎn)生1000n的驅(qū)動力，極限速率為20mm/s ;美國的j.m.vranish等利用超磁致伸縮材料開發(fā)的轉(zhuǎn)動式步進(jìn)馬達(dá)扭矩輸出達(dá)12.2n·m，精度達(dá)800微弧度 。在流體控制領(lǐng)域，瑞典abb公司設(shè)計了一個用gmm棒作為驅(qū)動原件的燃料注入系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對燃料的精密、瞬時控制，使燃料充分燃燒，減小污染，它在飛機(jī)和汽車等內(nèi)燃機(jī)中已得到應(yīng)用

 

國內(nèi)在磁致伸縮致動器(gma)的研究方面起步較晚，夏春林等(1999年)用超磁致材料制作了用于壓力氣動閥的驅(qū)動元件;浙江大學(xué)開發(fā)研制了活塞異型銷孔的制造系統(tǒng)，成功的解決了異型銷孔的制造難題;甘肅天星開發(fā)了商用化的超磁致伸縮智能振動時效裝置;長江工程地球物理勘測研究院開發(fā)了井間聲波發(fā)射換能器等稀土超磁致伸縮智能振動時效裝置;武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所研制開發(fā)了超精密超磁致微動執(zhí)行器。

 

然而，超磁致致動器工作時，驅(qū)動線圈的發(fā)熱及超磁致伸縮棒的渦流與遲滯損耗均導(dǎo)致超磁致伸縮棒溫度的升高。而溫度的上升將導(dǎo)致超磁致伸縮棒的熱變形，嚴(yán)重影響致動器的輸出位移精度。因此，在超磁致伸縮致動器的設(shè)計中，必須采取措施消除或抑制由溫升帶來的不利影響。

 

本畢業(yè)設(shè)計的旨在對某微進(jìn)給刀架中執(zhí)行元件超磁致伸縮致動器的溫度特性分析并對其進(jìn)行優(yōu)化，以盡量消除或抑制溫升對超磁致致動器性能帶來的不利影響，使其具有更好的工作性能和更高的輸出位移精度，進(jìn)一步推廣它在精密加工、超精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用，提升我國機(jī)電產(chǎn)品的綜合競爭力。

 

主要參考文獻(xiàn)：

 

[1] 賈振元，王福吉，郭東明.功能材料驅(qū)動的微執(zhí)行器及其關(guān)鍵技術(shù)[j].機(jī)械工程學(xué)報，2003，39(11)：61~67.

 

[2] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博實(shí)精密測控有限責(zé)任公司.微驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域概述[eb/ol].[2004-11-25].http://www.bsjm.com.cn/bs//11/yingyong.pdf.

 

[3] goran engdahl.handbook of giant magnetostrictive materials.sa diego:academic press,2000.

 

[4] 郭東明，楊興，賈振元等.超磁致伸執(zhí)行器在機(jī)電工程中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀鋼.中國機(jī)械工程.2001,12(6):724~727.

 

[5] 楊大智.智能材料與智能系統(tǒng)鋼.天津：天津大學(xué)出版社.2000.

 

2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案

 

本畢業(yè)設(shè)計對給定的微進(jìn)給刀架中超磁致致動器在給定驅(qū)動電流并恒溫水冷條件下進(jìn)行熱分析，通過對超磁致致動器進(jìn)行有限元分析與仿真，研究超磁致伸縮棒表面的溫度場與熱變形。根據(jù)分析結(jié)果，對超磁致致動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，提高其工作性能。

 

論文的主要內(nèi)容包括：

 

第一章：緒論。 介紹本畢業(yè)設(shè)計的研究意義和研究內(nèi)容，綜述超磁致伸縮材料的物理特性、應(yīng)用及超磁致致動器的優(yōu)勢，闡述超磁致伸縮致動器的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及主要類型,在此基礎(chǔ)上提出本文的研究內(nèi)容。

 

第二章：超磁致致動器的發(fā)熱影響分析。 列出所有導(dǎo)致超磁致伸縮棒發(fā)熱的因素,從理論上分析超磁致伸縮棒溫度升高對致動器輸出精度的影響,總結(jié)常用的超磁致致動器的溫控方法以及其適用場合。

 

第三章：超磁致致動器的熱分析理論論以及軟件仿真。 介紹有限元熱分析的基本理論和步驟。在abaqus環(huán)境下建立當(dāng)前微進(jìn)給刀架中致動器的三維模型,并對超磁致致動器施加的驅(qū)動電流以及恒溫水冷的溫度下，對超磁致致動器幾何模型施加的約束以及邊界條件，網(wǎng)格劃分等步驟后，經(jīng)軟件計算分析得到在該工況下超磁致致動器中超磁致伸縮棒表面的溫度場。

 

第四章：超磁致致動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 根據(jù)前面所得出的有限元分析結(jié)果，介紹針對該超磁致致動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案以及為什么要采取該方案，確定最終的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)和所采用材料的熱屬性參數(shù)。對優(yōu)化后的致動器施加相同的條件，利用軟件進(jìn)行有限元分析，得到優(yōu)化后致動器中超磁致伸縮棒表面溫度場。將優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果進(jìn)行得出對比，得出結(jié)論，以證明優(yōu)化的有效性和正確性。

 

第五章：總結(jié)與展望。 概括畢業(yè)論文的主要研究成果，并展望了今后需進(jìn)一步開展的工作。

 

畢業(yè)設(shè)計的技術(shù)路線主要包括：

 

(1)超磁致驅(qū)動裝置的三維建模。 分析微進(jìn)給平臺的圖紙，在有限元分析軟件abaqus環(huán)境中建立微進(jìn)給刀架中超磁致驅(qū)動裝置的的三維模型。

 

(2)基于abaqus的超磁致致動器的溫度特性分析。 在有限元分析軟件abaqus環(huán)境下，建立好超磁致致動器的有限元模型后，對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加相應(yīng)的約束以及邊界條件，對超磁致致動器施加設(shè)定的驅(qū)動電流以及25℃的恒溫水冷條件，利用軟件進(jìn)行有限元分析，得到超磁致伸縮棒表面的溫度場和熱變形量，分析溫升對超磁致致動器輸出精度的影響。

 

(3)超磁致致動器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 根據(jù)前面所得的有限元分析結(jié)果，對超磁致致動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，改善超磁致伸縮棒的溫度場分布均勻度以減小熱變形誤差。初步設(shè)想主要從兩方面進(jìn)行優(yōu)化：一，對超磁致致動器的線圈發(fā)熱進(jìn)行分析，得出線圈發(fā)熱模型，根據(jù)模型對線圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善超磁致伸縮棒的溫度場分布情況：二，將超磁致伸縮棒與線圈間套筒的材料換成相變材料，利用其相變過程中吸收潛熱，溫度維持不變的特性，抑制線圈發(fā)熱對超磁致伸縮棒的影響，總體采用相變加水冷組合溫控的技術(shù)方案。

 

(4)對比 對優(yōu)化后的超磁致致動器在abaqus環(huán)境中施加相同的驅(qū)動電流及恒溫水冷的條件，進(jìn)行有限元熱分析，得到優(yōu)化后的致動器中超磁致伸縮棒表面的溫度場。將優(yōu)化前后的有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，得出結(jié)論，證明優(yōu)化的有效性和正確性。

 

3、進(jìn)度安排

 

(1) 第1-3周：畢業(yè)實(shí)習(xí)，完成實(shí)習(xí)報告。

 

(2) 第4-5周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究內(nèi)容，了解研究所需的有限元分析軟件abaqus。確定方案，完成開題報告。

 

(3) 第6-8周：學(xué)習(xí)軟件有限元分析軟件abaqus，完成超磁致致動器的三維建模與仿真。

 

(4) 第9-10周：在abaqus環(huán)境下完成超磁致致動器在給定驅(qū)動電流條件下的熱分析，并針對分析結(jié)果對超磁致致動器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，對比優(yōu)化前后的熱分析結(jié)果。

 

(5) 第11-12周：根據(jù)分析結(jié)果，撰寫畢業(yè)論文。

 

(6) 第13周：修改、完善并打印畢業(yè)設(shè)計論文，提交畢業(yè)論文準(zhǔn)備論文答辯。

 

(7) 第15周：制作答辯幻燈片，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計答辯。