基于“能力-知识-课程”矩阵的机械设计课程群构建与教学实践

针对机械工程传统知识导向型课程设置易形成“知识孤岛”,导致学生机械设计能力不足的问题,通过构建“能力-知识-课程”矩阵,建立机械设计课程群架构,并开展教学改革实践,探索提升学生机械设计能力的教学模式。以理论类课程为支撑,以实践类课程为载体,促进学生“有知识—用知识—创新知识”的机械设计能力递升。改革教学方法,开展“线上自主学习,线下交流讨论,课后项目实践”的教学实践,并引入问题导向、案例教学的机械工程顶峰体验课程。机械设计课程群形成合力,全面提升学生从知识的“抽象”到机械装备“具象”的双向演绎能力,“做”“学”深度结合,使学生能主动将知识转化为能力,取得良好的教学改革效果。

基于空间统计学的机床动力学特性

机床刚度、固有频率等动力学特性随着机床部件位置、姿态在工作空间中的变化而变化。对机床动力学特性的研究不仅需要考虑到机床质量、刚度、阻尼值的大小,还应重视机床加工点的空间位置变化。采用空间统计学方法,以超精密机床固有频率这一关键动力学性能为例,分析机床动力学性能与机床位置姿态之间的数学关系,选取机床动态特性变异函数,建立动力学性能变化预测的Kriging方法模型,研究动力学特性在工作空间中的变化规律以及动力学特性空间信息的表述方法。将所建立的模型与正交多项式方法、径向基神经网络方法、二阶响应面方法等方法建立动力学性能预测分析模型比较,空间统计学Kriging方法所建立的模型R2检验大于0.96,在四种模型建构方式中为精确度最优,能够在完整工作空间中准确地描述机床动力学特性。基于空间统计学的机床动力学特性研究为机床的动力学设计提供了新的设计分析方法及相应的技术支持。

超精密机床静压气浮导轨表面微结构设计研究

以减少超精密机床气浮导轨高速运动时气体阻力为设计目标,应用雷诺平均方程(Reynolds-averaged Navier–Stokes equations,RANS)和带旋流修正的k-ε湍流模型,建立导轨微结构功能表面流体动力学减阻分析模型。采用减阻机理分析与仿真方法对比分析矩形沟槽、V形沟槽、U形沟槽、Space-V沟槽等四种微结构表面构型,确定最适合超精密机床气浮导轨表面减阻需求的构型是V形沟槽结构表面。继而对V形沟槽表面几何参数进行优化设计,获得优化的沟槽角度、宽度、间距设计参数,确定最优超精密机床静压气浮导轨微结构功能表面。该设计研究可用于进一步保障超精密机床设计精度和运动精度。

创新创业教育在机械设计课程设计环节中的探索实践

培养创新创业型工程人才是当前高校教育改革的重要议题。该文探讨了实验环节创新创业教育的教学目标和教学方式,并以上海理工大学机械学院机械设计课程设计改革为例,介绍了通过课程设计实践环节培养学生的分析问题、团队组建与协作、交流沟通、主动学习、设计、判断力、机会评估与发展等创新创业能力的实践。通过机械设计课程设计环节教学实践,学生获得了创新创业所需的部分核心知识和能力。

高速空气静压电主轴止推轴承设计及性能分析

高速空气静压电主轴具体有结构紧凑、高转速等特点被广泛应用于高精密机床、多关节机器人、汽车制造、医疗装备等高新技术领域设备中。空气止推轴承是高速空气静压电主轴实现高精度高转速的关键零部件。本文对单孔和多孔空气静压止推轴承建立数学模型,利用ANSYS Workbench Fluent软件进行详细的刚度、气膜压力、气体流场、承载能力模拟设计分析计算,分析轴承参数对轴承刚度的影响,得到轴承性能随各项参数变化的变化规律,实现该类轴承的参数设计。进一步,利用MATLAB app designer编制计算空气静压止推轴承的参数化设计界面软件,提供基于公式的MATLAB计算与基于有限元的ANSYS计算比较分析结果,明晰各设计参数下空气止推轴承的刚度以及承载能力等关键性能。

超精密机床多尺度设计方法和仿真研究

提出了超精密机床多尺度设计方法,建立了包含机械结构、控制系统、电磁驱动在内的集成模型。采用仿真方法计算了气浮导轨气腔微结构在一定气体压力下内部气流场压强和速度分布数据,并代入集成模型中分析了微结构对宏观机床动力性能的影响。用实例证明了超精密加工机床的结构设计与分析综合考虑机构系统在宏观、介观和微观尺度下多尺度、多层次特征,对设计超精密加工机床的必要性。

内冷车刀设计的结构和热复合分析方法及应用

为获得具有合理的内冷流道且力学性能好的内部循环冷却车刀结构,提出一种将结构拓扑优化设计与流固耦合有限元热设计两种设计分析方法相结合进行内冷车刀复合设计的方法。针对典型车刀的使用工况,采用带惩罚指数的固体各向同性微结构拓扑优化方法,在最大刚度条件下获得内部流道设计区域,并通过工程化重设计使得区域连通,保证刀具内部冷却液有效流动;建立流固耦合热场分析模型,以切削区域最高温度最小为目标,对刀具流道进行优化设计。设计结果表明,优化设计后的内冷刀具与传统内冷刀具相比,在相同的冷却流量、冷却液体积条件下,刀具结构的整体刚度提高、变形减少的同时,刀具最高温度有所降低,说明所提方法对内冷刀具的优化设计有效。该设计方法可以在所有循环内冷式刀具中通用。

基于ANSYS Workbench的一种提取结构骨架的新方法

针对结构重构过程中会遇到的难加工或加工成本过高等问题,提出了一种提取三维数字模型骨架的新方法,该骨架结构能有效地描述原本的实体结构,为后续数据的再利用和结构的参数化重建提供了基础。提取的骨架不仅包含结构的几何拓扑结构和空间形貌特征,还包含结构的物理特征。在提取过程中,三维模型被划分为若干区块,计算这些区块中心点的坐标,并将距离中心点最近的网格节点作为关键节点,计算这些关键节点的相对位置和距离并连接形成骨架。编写APDL代码以提取节点的物理属性并进行储存。然后,运用一个数值算例以及ANSYS Workbench软件来解释说明该方法,该算例证明该骨架提取方法可以提出结构中的各关键节点,对各关键节点按顺序进行连接后可以得到结构内部反映其几何形貌特征的骨架,并且可以获得刚度矩阵和变形坐标等物理特征,从而实现基于数据的结构特征的表征和存储。

球面机构的相伴方法与运动几何学研究

用曲面与曲线相伴方法研究球面机构运动几何学 ,建立了球面四杆机构的运动几何学模型 .导出了动定瞬轴面的表达式 ,讨论了瞬轴面的几何形状及分布区域 .研究了球面四杆机构连杆上的测地拐点、波尔点等特征点 ,得到了测地拐点曲线开闭与瞬轴面诱导测地曲率的关系 。

倒立摆系统控制研究

基于复杂的二阶非线性倒立摆系统的不确定性问题,提出了一种自适应该系统的控制方案。通过倒立摆系统的动态方程,利用RBF神经网络对未知函数的逼近,并结合自适应滑模控制算法,建立RBF自适应滑模控制器,谋求解决非线性不确定的倒立摆系统,对该系统进行Matlab仿真验证,并分别对RBF自适应PID控制、普通RBF自适应滑模算法和文中RBF自适应滑模算法进行仿真比较,仿真比较结果验证了该方案不仅具有可行性和有效性,且在时间上具有快速响应性和稳定性。

工程设计学中的哲学思想浅析

工程设计学不但凝结了人类工程设计实践活动的自然科学智慧,而且蕴含了丰富的哲学思想。该文从哲学的视角思考工程设计学的基本研究要素,论述工程设计学中的系统论、矛盾论和辩证思维等哲学思想,为工程设计活动开拓了新思路,也为工程设计教育中的哲学思维培养提供了理论依据。

直驱式A/C双摆角重型铣头力学分析

基于直驱式A/C双摆角重型铣头结构几何模型建立了整机有限元模型,采用杆单元等效模拟连接轴承,并对其进行了力学分析。双摆角铣头在工作过程中,其固有频率和电主轴末端位移随着A轴摆角的摆动而波动,并且整机性能由其结构薄弱环节C轴组合轴承决定。

双摆角铣头万向架拓扑优化设计

结构优化方法在实际工程中得到了越来越广泛的应用,文中综合考虑各种结构优化方法的适用性,并选择了拓扑优化方法,采用ANSYS软件拓扑优化模块对双摆角铣头万向架结构进行优化。优化改进后,在刚度、强度满足设计要求的情况下,万向架质量减少了21%,优化效果显著。

基于LabVIEW的内冷式智能车刀温度控制系统的设计

内冷式智能车刀实现了冷却液从车刀内部的管道通过,从而达到冷却的目的,既环保又高效,而温度控制系统是基于LabVIEW虚拟仪器,实现温度的采集。其中,温度采集使用NI9217输入板卡,输出使用NI9260输出板卡。当车刀温度超限,会调节变量泵的流量增大,从而调节温度。系统使用LabVIEW程序实现了温度的实时显示及控制,以及超限自动报警模块,系统功能强大,操作简单,人机界面良好,很好地实现了对车刀温度的有效监控和调节。

基于ANSYS的机床床身尺寸优化设计

基于ANSYS有限元分析方法,利用响应面优化和灵敏度分析,对机床床身进行静态、动态性能分析。以床身外壁厚度和内部筋板厚度作为设计变量,以其最大变形量和一阶固有频率作为目标函数建立数学模型。对比优化前后的尺寸参数,得出机床床身最佳优化尺寸,使机床床身的结构性能得到改进。

精密机床床身轻量化结构与性能协调设计研究

针对机床床身结构与性能之间的制约关系尚不明确问题,提出明确的关系曲线以及合理的参数取值域;方法基于统计分析和灵敏度分析,对5种常见床身内部筋型进行研究,分析外壁厚度、筋板厚度、质量对结构动静态性能的影响,获得轻量化结构参数与结构动静态性能趋势曲线并指明关键尺寸变化对结构性能的影响规律,给出机床床身最优构型和结构轻量化设计建议;通过比较5种不同的机床床身筋型,得出米字筋构型的机床床身结构性能最优,其最大一阶固有频率为334 Hz,相比最差的V型筋床身结构一阶固有频率217 Hz,高出54%。并对其中一种筋型床身结构的前三阶固有频率进行仿真和实验对比验证,两者误差在5%范围内,证明了研究方法的有效性。

用于发泡水泥生产的计量装置设计

对传统的水泥发泡机进行了功能分析,增加精确计量装置,对该装置的关键部位——计量斗进行参数优化设计,使其能在满足强度要求的前提下尽可能减少钢材的使用,提高水泥的搅拌效率和搅拌质量,为水泥发泡提供更有效的支持。

基于拓扑优化的机床立柱设计

为了改善机床立柱在工作情况下的振动性能,基于拓扑优化方法,利用ANSYS Workbench有限元软件对模型进行拓扑优化处理。在保证刚度满足情况下,以提升其1阶固有频率为目标,对模型进行拓扑计算,最终得到保留一定体积比例的拓扑模型,并确定其基本构型,从而构造出其拓扑优化后的模型。重新对重构模型进行校核后,确定其1阶固有频率得以提升,性能得以改进。

基于ANSYS的机床头架模态分析及结构改进

以M1432B万能外圆磨床的头架为研究对象。首先对SolidWorks三维模型局部简化。采用有限元ANSYS对其进行模态分析,获取前7阶固有频率及位移振型图,结合有限元模态分析结果对其结构进行了改进。在头架的罩子上添加了两块肋板与头架整体相连接,从而提高了头架的整体刚度。改进后的头架各阶模态频率有所提高,改进前后头架的振型变化较大。为机床的优化设计和技术改进提供重要的参考依据。

基于ANSYS Workbench的数控外圆磨床整机静动特性分析

基于ANSYSWorkbench软件对磨床整机模型进行了静动态特性研究,分析了床身不同材料、结构对整机动特性的影响,并对选取不同接触刚度因子对磨床整机动特性的影响进行了分析,为磨床结构改进以及材料选择提供了依据。