機械結構分析與設計范文

導語：如何才能寫好一篇機械結構分析與設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：機構分析；機械手；驅動系統

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A

1.總體結構

機床桁架機械手的設計和分析，可以從兩部分分析，一部分是桁架，另一部分是機械手，對于桁架的分析，可以簡化成梁的分析，它的機構就類似于力學當中的結構梁，從力學的角度分析，可以將機床桁架與簡支梁做橫向對比，可以通過簡支梁的彎矩圖分析桁架，增加機械手對桁架的作用力，我們可以畫出如圖1所示的力學分析圖。在機床上桁架機械手有著很高的要求，要求機械手有著效率高、可靠性強的要求，對于桁架的立柱選擇，它要使桁架支撐穩定，同時也要節省機床的整體空間，而對于大多數立柱的結構，都選取鋼結構。

2.機械手及手臂

2.1 機械手

桁架機械手的作用就是起到運輸的作用，它是使工件在上下料的軌道與機床內之間移動，將加工后的零件從機床上拿出，再將要加工的零件從軌道上拿起，放到機床上。主要的動作就是：爪張開，抓取，升降，左右移動。對于機械手的手爪設計有很多種方案和形式，可以根據不同的需求，選擇不同的設計方法。如D2所示。

（1）機械自鎖手爪：對于這種結構，設計者們非常喜歡，因為這種結構很受消費者的喜歡，它的結構比較簡單，但是在對抓取上也做了復雜的設計，為了防止在夾持零件時候脫落，增加了自鎖裝置。

連桿杠桿式手爪：這種結構可以從名字上得到啟發，它的設計就是利用機械連桿機構，通過連桿和杠桿的傳遞，使手爪夾持和松開，但這種機構有一個缺點，就是夾持力比較大。

齒輪齒條式手爪：這種機構的傳遞性最好，動作反應速度最快，它是通過齒輪之間的傳動來控制手爪，可以實現速度上的突破。

2.2 手臂

對于桁架上機械手的手臂設計時，要考慮機械手臂的載荷，在運動上要實現快速運動，但在機構上也要能承受力。在機床桁架上的機械手一般做直線運動，所以在考慮手臂設計時候，一般選擇液壓直接驅動手臂，在機械手臂的液壓缸選用上，要使液壓缸的直徑大一些，這樣手臂的整體強度比較高，而對于液壓缸的校核可以通過以下公式進行核對：

活塞桿直徑的校核公式：

式中：F――活塞桿上的作用力；[σ]――活塞桿材料的許用應力。

缸體壁厚的校核公式：

式中：D――缸筒內徑；py――缸筒的試驗壓力。

桁架機械手的運動為機械手在桁架上做水平運動，到達指定位置后，機械手下降運動，手爪夾緊工件，帶動工件上升，逆向運動，將零件放置到軌道上，手爪松開，在這個期間內，有幾個位置PLC控制限位器，分別在機械手的下降和上升停止的時候。在機械手將零件從機床夾持時候，下一個工件到待定區域，機械手結束這個動作后，回到待加工零件位置處，機械手下降，夾持零件，將零件放置到機床內，機械手回到初始位置，PLC停止脈沖輸出，機床進行加工，機械手完成運動，桁架機械手往返做以上運動。

3.驅動系統

對于機床桁架機械手驅動方式的選擇可分為回轉型和移動型，是通過手指的方法區分，要是通過機械手夾持的不同可以分為內外兩種。

（1）氣動驅動方式：這種控制方式是通過電磁閥來控制機械手，在通過利用氣流調節閥來控制機械手的運動速度，這種驅動的成本比較低，因為得到氣體成本低。

（2）電動驅動方式：在機床桁架機械手設計上，這種驅動方式使用最頻繁，因為機床也需要用電，而這驅動系統只是需要利用電機，就可以達到速度上的控制。

（3）液壓驅動方式：液壓驅動方式是通過液壓系統進行控制，它的好處就是可以實現連續位置控制，同時傳動剛度也大，液壓驅動一般選擇液壓馬達作為動力源，液壓驅動元件的特點見表1。

結語

隨著國內不斷地發展，勞動力成本的不斷提升，機床在自動化行業歡迎程度也隨之提高，但同時也要將機床的配套設施提高上去，尤其對于生產大批零件，機械手也變得尤為重要。對于現代工業發展來說，機械手的發展速度還是不是很快，對于機械手的控制上要采用PLC控制是最方便的，而對于機械手的發展要不斷去開發，團結思想，通過集體設計者們的努力，不要客觀地設計，要將多元素有機結合起來。

參考文獻

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篇2

關鍵詞：高層建筑； 地下室； 結構設計； 結構超長

Abstract: with the high building more and more, city construction there appear a large number of basement, the basement structure design in the building of the structure design is often important. This paper first to the basement structure design of technical problems as the main line, with certain economic analysis, and in-depth analysis of the basement in the design of the structure of technical and economic problems and their relations. The basement structure design is more complex, which involves the technical problem is various, mainly has: the foundation bearing capacity and the deformation problems, anti_floating, uneven settlement, structural over_length, civil air defence design, and so on.

Keywords: high building; The basement; Structure design; Super-long structure

中圖分類號：[TU208.3]文獻標識碼：A 文章編號：

前言

地下室的結構設計是一個綜合性很強問題,涉及到的內容繁多而復雜,有些問題至今尚未得到很好的解決,如:地基與基礎的相互作用問題、上部結構剛度對地基基礎的影響等等。現代高層建筑由于地下工程龐大, 建設工程在地下的投資已經接近甚至超過了地上, 因此無論是從技術還是從經濟的角度講都需要我們更深入地研究地下室結構設計的技術問題, 提高地下室結構設計的水平, 真正做到技術與經濟同步、安全與適用協調。

一、抗浮問題分析

1、確定科學合理的抗浮設防水位。目前, 地質勘查單位提供的巖土工程勘查報告中對地下水水位提出了 3 個指標:①擬建場地歷史最高水位；②近 3～5 年最高水位；③勘查時的實測靜止地下水位。確定地下室抗浮設防水位時應根據設計規范中確定的原則:防水要求嚴格的地下室,其設防水位可按歷年最高地下水位；對防水要求不嚴格的地下室其設防水位可參照近 3～5 年最高水位及勘查時的實測靜止地下水位。

2、降低抗浮設防水位的措施：一是采用平板式筏板基礎。一般而言,平板式筏板基礎的重量與“低板位”梁板式筏板基礎上填覆土的重量基本相當, 但后者的基礎高度一般要比前者高。二是樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。一般寬扁梁的截面高度為跨度的 1/16～1/22,寬扁梁的使用將有效地降低地下結構的層高,從而相對降低了抗浮設防水位。

3、增加地下室的重量。如果設計中決定采取增加地下室重量的方法來解決抗浮問題的話,可以采用以下兩種方法:一是增加基礎配重。此種方法大致又有以下幾種情況:①增加基礎底板的厚度；②增加基礎頂面覆土厚度；③基礎頂面采用重度大且價格低廉的填料。這 3 種方法的共同特點是:在增加基礎配重用以解決抗浮問題的同時又不可避免的增加了基礎的埋置深度,從而相對地提高了地下室抗浮設防水位的高度,因此它不是一種效率最高的方法。二是增加地下室頂板的厚度。這種方法的優點是:在不增加基坑坑底標高的前提下,增加了地下室的重量,而且使用厚板后,地下室頂板的大板塊之間可以不再設置次梁,既有利于其他專業的使用,又簡化了施工工序；但此種方法的缺點是會略增加地下室頂板框架梁的負荷,而且由于板厚有限,這種方法解決抗浮問題的效果也是有限的。

4、設置抗浮樁。表面上看這是一種解決抗浮問題行之有效的方法,但仔細分析,這種方法也有一定的局限性,且不說設置抗浮樁的造價如何,單從結構受力方面講,由于地下室的抗浮設防水位是根據擬建場地歷年最高水位結合近幾年的水位變化情況提出來的,即使是經過重新評估后確定的抗浮設防水位,也是按一定的統計規律得出的結論,很顯然,這種方法確定的地下水位在一般的情況下是很難達到的,加之設計計算的不精確性也使得抗浮樁都具有一定的安全儲備,因此“,抗浮樁”實際上長期起著“抗壓樁”的作用,這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降,而這種變化將會使不設縫的大底盤地下室在主體結構和裙房之間產生更大的不均勻沉降差,這正是我們在設計中想極力避免的；同時設置抗浮樁后,計算基礎底板內力及配筋時應考慮地下水壓力,這樣也會增加基礎底板的荷載。另外一方面,如果地下水位長期處于一種較高的水平之上,設置抗浮樁也不乏是一種有效的方式。因此,抗浮樁是一把雙刃劍,使用時需仔細考慮。

二、不均勻沉降問題分析

1、采用人工處理地基。根據地基處理程度的不同,又有以下兩種情況:一是CFG樁地基處理+設置沉降后澆帶。此方法的出發點是:在 CFG 樁復合地基承載能力滿足設計要求的前提下, 允許主體結構在施工期間有相對量的沉降,由此造成的沉降差靠主體結構和非主體結構之間的沉降后澆帶來解決。這種方法的優點是:降低地基處理的程度,進而減少 CFG 樁的數量,降低建設成本,減少施工周期；缺點是:①由于沉降后澆帶一般是在主體結構封頂后1～2 個月封閉,這樣將使施工期間的基坑降水時間加長,增加了降水費用；②后澆帶放置時間過長質量難以保證,而且相應位置底板還要加厚；③由于沉降后澆帶的存在使得主體結構在施工期間長時間不能處于四邊嵌固的狀態, 對結構在施工期間的整體穩定性也不利。如果能采取有效措施避免由于設置沉降后澆帶所帶來的問題的話,這種方法還是很經濟適用的。二是CFG樁地基處理+不設置沉降后澆帶。這種方法要求在CFG 樁復合地基承載能力滿足設計要求的前提下, 嚴格控制主體結構的最終沉降量,這樣做的優缺點正好和方法 1 相反。

篇3

關鍵詞：Solidworks 關節型 工業機器人 ANSYS 有限元分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0071-04

隨著自動化技術的發展，工業機械手的應用場合不斷擴展，在裝配、噴涂、焊接等各種危險和單調的重復勞動中發揮重要角色。這里基于SolidWorks和ANSYS完成了一款五自由度關節式機械手設計及分析。

1 機械手結構方案

關節式機器人具有很好的作業適應性，是目前通用工業機器人的主要結構形式。

機械手的驅動形式主要有液壓驅動、電驅動、氣動等。液壓驅動主要用于承載大、要求快速反應場所；氣動具有價格低、適用負載小、結構簡單等特點，但其難以實現伺服控制；電驅動由于擁有噪聲低、控制方便、精度高等特點而被廣泛運用[1]。本設計中采用伺服電機作為驅動源，通過齒輪、同步帶（輪）等進行傳動。腕關節上設計有裝配手爪用法蘭，可以通過更換手爪來實現不同的作業任務。

五自由度機械手為基本的關節式結構，圖1為其結構簡圖，共擁有5個旋轉自由度，分別為：機身旋轉關節J1（肩關節）、大臂旋轉關節J2（肩關節）、小臂旋轉關節J3（肘關節）和手腕仰俯運動關節J4、手腕旋轉運動關節J5（腕關節）[2-4]。其中的2個肩關節協同1個肘關節完成定位操作，2個腕關節進行定向。兩個肩關節分別實現俯仰和繞豎直線方向旋轉，兩個肩關節的旋轉軸線正交，肘關節轉動軸線平行于實現俯仰的肩關節J2]。這種構型擁有動作靈敏準確、占用空間小，作業過程不發生干涉等優點，是通用機械手的常見選型。

2 基于Solidworks的機械手本體設計

計算機輔助設計（CAD）在生產中的應用日益廣泛。SolidWorks作為常用的三維CAD軟件之一，可實現CAD/CAE/CAM的集成和數據信息共享，將設計、分析、加工于一體，可以提供三維建模、有限元分析、運動仿真、工程圖紙等眾多功能[5]。

2.1 材料的選擇

材料的選用決定著產品的使用質量，同時也影響著產品的設計理念和結構方式。本文設計的機械手，根據其具體的工作條件，主要考慮以下幾點因素：（1）強度、硬度高，以保證在彎矩較大時候仍可以有很高的定位能力；（2）重量輕，機械手由于要求運動快速穩定，所以盡量減少慣性是必須考慮的因素之一；（3）彈性模量大、阻尼大，減少變形且同時吸收多余能量。

綜上所述，機身選用合金鋼16MnV，手臂采用鑄鋁ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA具有良好的鑄造性能，彈性E不大，且密度小，E/e比可與鋼相比。

2.2 機身的設計

機身連接著機械手，作為機械手的載體可實現機械手的升降和旋轉等動作。通常機械手的機身都與底座連為一體，且機身可具有三個以內的自由度。作為整個系統的支撐部件，要具有較高剛性和良好的系統穩定性，以便于實現精準的運動定位。如果機身如果可以提供豎直方向的自由度，即升降運動，則需設計能夠承受住比較大的彎矩力精確的導向裝置。因為導向裝置在升降的過程中要承受機械手大臂、小臂以及負載的載荷。

根據機械手的實際工作需要，機身只提供一個轉動軸為豎直方向的轉動自由度，具體結構如圖2所示。機身的水平方向轉動，由交流伺服電機作為動力源。機身在水平方向由轉動軸帶動旋轉過程中，機身轉動軸的上下兩端分別與底座外殼上下部采用軸承連接，且機身轉動軸在運動過程中軸向和徑向將同時受力，所以軸承均采用角接觸球軸承實現良好的徑向和軸向載荷承載能力。圖2為Solidworks中機身的結構。

2.3 機械手臂的設計

機械手由大臂、小臂、腕部組成，手臂連接于機身并支撐起腕部，提供給末端機構的準確定位。機械手末端軌跡復雜且運動速度高，應考慮系統剛度、穩定性、慣性等因素。可采用合理的截面以減少同樣剛度下的手臂質量，同時自重減輕也有利于提高機械手的定位準確性。

2.3.1 大臂設計

機械手大臂通過兩端連接軸分別與機身和小臂連接。大臂內部布置了自身的驅動電機，同時為減少整個手臂運動過程的阻力矩和轉動慣量，將機械手小臂的驅動電機也緊湊的安裝在大臂內部，圖3為Solidworks中大臂結構圖。

大臂和小臂的驅動電機安裝在大臂中部并與減速器連接，減速器通過固定板安裝在大臂內。減速器的輸出軸通過齒形帶將驅動力傳遞至大臂兩端的轉動軸，轉動軸用深溝球軸承安裝于大臂兩側，并通過平鍵將軸分別與機身和小臂連接。采用此種驅動傳遞方式可實現各個關節的同級運動控制，易于平穩和精確的末端軌跡控制。

使用的同步傳送帶由于工作過程有較大的張緊力，在使用中會發生塑性伸長進而有可能會產生松弛和打滑等現象，因此在傳送帶的設計過程中添加了一個可以調整位置的張緊裝置，用以確保帶輪有固定的張緊力。如圖4所示，張緊輪通過彈簧有一個向上的固定壓緊力，可以在帶松弛時會自動施壓來保證張緊。

2.3.2 小臂和手腕的設計

機械手的小臂一端通過軸承連接安裝于大臂末端，另一端聯接手腕。小臂的驅動電機安裝在大臂的內部，而為了結構的緊湊性及減小機械手轉動慣量，小臂內部用于安裝手腕驅動電機。在傳動形式上腕部與小臂、大臂不同，小臂內手腕驅動電機通過齒輪傳動傳遞至腕部安裝軸。采用齒輪傳動可以提高傳動效率和穩定性，減少機械手整體的運動誤差。圖5為小臂和手腕的結構圖。

2.4 機械手三維建模及渲染

零件的實體造型，就是在計算機中通過基本元素完成幾何模型的確切表達。這樣可以使技術人員直接在計算機上進行三維的設計，免去了二維圖紙來表達三維信息的各種受限因素，且可減少此過程可能產生的錯誤，機械手模型如圖6。

Photoworks作為SolidWorks的自帶插件，可以提供各種材質以及背景添加，能夠達到很好的渲染效果，不需要進行昂貴的加工才能看到樣件的效果。使用交互式三維模型渲染，可提快速的提供紋理和景觀效果的渲染預覽。Photoworks模塊為減少側影“齒距”，采用的自適應防圖形失真技術大大提高了圖片的質量。機械手最終的渲染效果如圖7。

3 基于ANSYS的機械手關鍵部件分析

軟件模擬分析是計算機和現代工程方法的完美結合，有限單元分析是計算機輔助工程CAE技術中一種重要的方法。ANSYS是一種通用的有限元分析軟件，融合了多種性能分析于一體，被廣泛應訴于各個行業。ANSYS可以實現多場和多場耦合分析；具有一體化的前后處理以及求解數據庫；可以進行非線性分析以及優化的計算方法；多種網格劃分技術等良好性能[6]。

機械手作過程中，軌跡復雜且運動速度快。為了保證機械手的安全性和穩定性，進行有限元力學分析是十分必要的，這里以其中關鍵部件機械手大臂為例。

3.1 ANSYS模型建立

ANSYS軟件內部提供了實體模型建立和有限元模型直接生成兩種建模方法，但其建模方法與目前的主流三維造型軟件相比，效率低很多。因此采用PRO/E、UG、SolidWorks等三維軟件進行設計后，再導入ANSYS進行相關分析和處理[7]。

先將機械手大臂的SolidWorks三維模型保存為Parasolid文件，通過“文件”、“導入”、“PARA”等菜單就可以完成在ANSYS中實體模型的導入，結果如圖8所示。

3.2 單元屬性設置

單元類型設置如下：Preprocessor > element type> Add/Edit/Delete，設置為Structural Solid，20node 95。機械手大臂的材料采用的是鑄造合金鋁，查詢相關資料確定其性質進行材料特性的設置：彈性模量設置為70GPa，泊松比0.33，密度2680 kg/m3。

3.3 網格劃分

網格劃分分為自由網格劃分、映射劃分、拖拉和掃掠網格劃分等。根據此次分析實際需要，采用自動網格劃分來自動生成四面體網格。對于重要部分（比如大臂、小臂）的兩端受力部位還要再使用網格細化，進一步完善網格劃分，以得到更好的分析結果。在網格劃分過程中使用了Smart Size，智能網格劃分尺寸選擇5，具體效果如圖10所示。

3.4 加載與求解

大臂與小臂平行且都在水平位置。此時小臂以及末端重量都加載在大臂末端用于安裝軸承的內孔面上。另外，大臂本身的自重力，視為均勻分布。通過Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural >Inertia>Gravity加載。大臂左端通過轉支架固定。轉矩加載大小根據電機選型時計算得出的數值進行加載，并且大臂左端承受轉矩通過齒形帶和帶輪傳遞至大臂中部的驅動電機。得到的變形和應力分布如圖11。

從圖11（a）可見大臂在載荷作用下出現了一定變形，最大變形量很小，在運動過程中可以通過閉環控制進行實時的姿態調整，減少因彎曲變形而導致的定位不準因素。也可作為指導進一步進行優化設計，在大臂內側增加加強筋來減少變形，以達到更好的定位效果。

從圖11（b）中可得，機械手大臂在彎矩最大狀態時，大臂應力最大處位于安裝大臂驅動電機的安裝孔處，最大約為103 MPa，遠小于選用材料ZAlSi7MgA的許用應力（180～250 MPa），指導大臂非主要受力位置厚度等尺寸可適當縮小，整體用料精簡。

4 結語

通過Solisworks設計完成五自由度機械手，并將其模型導入ANSYS內進行有限元分析，確保載荷最大狀態時機械手工作的安全性，以驗證機械手整體設計的正確性，并及時發現不足之處予以優化，同時也為后續控制系統設計打下基礎。

參考文獻

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一、機械工程基礎課程特點及內容

機械工程基礎是普及機械和機械工程的基本知識、基本概念和基本內容的課程。對文科類、管理類、計算機類、藝術設計類等專業具有開拓學生的視野、增加知識面、拓寬專業、提高學生的工程能力的作用;其任務是培養學生認識機械和機械工程的能力,是工科類非機械類專業具有工程特色,適應高新科學技術社會發展的需要。機械工程基礎的內容選擇是根據機械工程的基本內容確定的。主要講授機械發展與人類社會進步的關系及機械工程發展的趨勢,介紹工程力學、工程材料、工程制圖的基本知識,簡述機械的組成原理與工作原理、常用機械零件強度、剛度的概念、機械產品的制造技術、液壓傳動和氣動技術的概念、現代設計方法等等內容。學生通過對各部分內容的學習,了解機械及其產品從設計、制造到使用過程中需要哪些知識及其在機械產品中的地位和作用。

二、機械工程基礎實驗內容分析

機械工程基礎實驗按照實驗課教學體系分為設計與制造工藝、檢測與分析、材料與性能三個部分。機械工程基礎實驗是一門獨立的實驗課程,所有實驗都在機械基礎課實驗教學示范中心進行。本實驗課與工程力學、工程制圖、機械原理、機械設計、工程材料及成型技術基礎、互換性與技術測量基礎等課程的理論教學相銜接。

1. 實驗理論

(1)韌、脆性材料在受拉、受壓和扭轉時力學性能測試的原理和方法;電測法基本原理,單向、平面應力狀態的靜態應變測量與應力計算的原理和方法;沖擊動荷系數測定的原理和方法;現代光彈測量的基本概念。(2)組合體模型的測量和組合體視圖及剖視圖的繪制方法和尺寸標注方法,機械零件功能和結構分析方法以及機械零件測繪方法和步驟,部件功能和結構分析方法以及部件測繪方法和步驟。(3)機構運動簡圖測繪與結構分析,機械運動分析方法,漸開線齒輪范成加工原理,剛性轉子的動平衡原理,機械動力學,典型機械零件狀態測試,滑動軸承性能測試與分析的原理和方法,減速器結構分析方法和步驟,各種典型機構及典型機械的綜合分析方法。(4)金相顯微分析的原理和方法;試樣制備方法,Fe-C狀態圖、C-曲線;表面強化原理和方法;焊接接頭顯微組織分析的原理和方法;力學性能(布氏硬度、洛氏硬度、顯微硬度、摩擦性能)測試的原理和方法。(5)機械加工完成后零件的尺寸誤差、形位誤差、表面粗糙度、螺紋幾何參數誤差的基本原理和方法;零件互換性所進行的必要的精密技術測量的原理和方法;測量數據的處理技術的原理和方法。

2. 實驗教學

著重講授如何用科學的手段來完成理論的驗證;如何組織實驗、處理數據和分析實驗現象;介紹常用設備和儀器的原理、構造和使用維護方法以及綜合實驗內容的思路和方案設計等。

3. 對學生能力培養的要求

(1)培養學生運用實驗原理和方法進行科學實驗的能力,即如何從實驗目的出發,根據什么原理,選擇何種實驗方案,配套哪些儀器設備,確定實驗程序從而獲得準確的數據并得出正確的結論。(2)通過實驗熟悉常用儀器、設備的基本原理、結構、性能;學會調試儀器和排除故障。同時,要培養學生分析問題和解決問題的能力,使學生的實驗技能進一步得到訓練和提高。(3)通過本課程的學習,加深對相關理論課程教學內容的理解,加固理論知識。(4)通過實驗過程以及完成實驗報告,培養學生嚴肅認真、實事求是的科學態度和一絲不茍的工作作風。

三、實驗項目的設置

1. 機構運動參數測定與分析實驗

基本教學要求:初步了解電測機構運動參數的基本原理,利用計算機對平面機構動態參數進行采集、處理、實測、仿真比較優化設計,分析機構參數對機構動態參數的影響。

2. 機構運動簡圖測繪與分析實驗

基本教學要求:掌握根據機械實物模型繪制機構運動簡圖的技能;計算自由度、驗證機構運動確定性;了解正確選擇長度比例尺方法。

3. 軸系結構設計實驗

基本教學要求:熟悉和掌握軸的結構與設計,軸上零件的常用定位與固定的技術方法,軸系結構設計的要求與常用軸系結構,為后續機械設計打下良好的基礎。

4. 金相顯微分析法實驗(鐵碳合金平衡組織顯微分析)

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關鍵詞：機械零部件性能試驗；工程實踐能力；創新意識

Practice and exploration of mechanical components performance test experimental course

Gao Liangfeng

Zhejiang university of science and technology， Hangzhou， 310023， China

Abstract： According to the mechanical components performance test of experimental teaching and practice， make some experience and later improvement and tentative idea， to cultivate the students' mechanical design concepts and innovative design consciousness， so as to improve the students' practical application ability of teaching objective.

Key words： machinery parts and components performance test； engineering practice ability； innovation consciousness

機械原理和機械設計的實驗教學是課程教學的一個重要環節，對實現課程教學的目標起著不可或缺的作用。它是學生學習機械原理和機械設計、進行工程實踐的重要途徑，是培養學生理論聯系實際、分析問題和解決問題的能力以及啟迪學生創新思維、開拓創新潛能的重要手段。然而隨著科學技術的發展和社會的進步，傳統實驗教學模式已不再適應高等學校培養高素質人才的需要。針對傳統實驗教學多以驗證性為主、實驗學時設置不合理等弊端，我院針對機械原理、機械設計課程的內容、特點及要求單獨設置了機械零部件性能試驗實驗課程，相比以前的課程實驗增加了學時數，為48學時，實驗內容也做了很大的調整。

1 編寫機械零部件性能試驗教學大綱，合理設置實驗項目及內容

根據機械原理、機械設計課程內容及以往的實驗設置情況，我們主要開設1個認知實驗、3個大實驗項目。每一大項中再設置驗證性、綜合性、設計性、創新性的實驗內容，以達到鞏固專業基礎知識的目的，從而進一步培養學生綜合設計及工程實踐能力，同時也激發學生的創新意識。

1.1 機械認知

這個實驗主要是讓學生參觀機械原理、機械設計、機械創新設計陳列柜，通過觀察分析各類機構、零部件及創新方法等，使學生對所學課程有更進一步的感性認知，同時激發對所學專業的學習興趣。

1.2 機構分析實驗及創意設計

實驗主要內容為：（1）機構運動簡圖的測繪與分析： 要求學生分析機構，畫出機構運動簡圖并計算自由度。主要目的是使學生掌握正確繪制機構運動簡圖的方法及機構自由度的計算方法，理解機構自由度的概念。（2）機構創新設計及模擬：要求學生自行設計機構運動方案，并進行機構組裝、調試、運行及改進，最終確定方案。目的在于通過實驗使學生靈活運用機構組合、機構演化與變異，創造性地設計、拼接機構。同時也提高了學生的實際動手能力，通過對方案進行結構分析、運動分析、動力分析及實際測定，檢驗設計的方案是否滿足工作要求，培養學生對各種常見機構的綜合運用能力及創新設計能力。通過機構的方案設計、機構的組裝調試及模擬運行等使學生實際動手能力、團結協調能力得到較好培養，同時也培養了學生的創新意識和創新能力，激發和調動了學生的學習積極性和自主性，以及參加各類機械創新設計大賽的熱情。

1.3 機械傳動性能測試分析及創新組合

實驗主要內容為：（1）各種典型機械傳動裝置并測試參數曲線及分析比較：要求學生分別組裝帶傳動、鏈傳動、萬向節傳動、蝸桿傳動、齒輪傳動等測試裝置，并測試在傳遞運動與動力過程中的參數曲線，分析比較運動特點及優缺點。目的是使學生通過組裝各種典型機械傳動裝置，并測試在傳遞運動與動力過程中的參數曲線，進一步分析比較各類傳動的運動特點、優缺點及使用場合。（2）優化創新設計組合傳動系統：要求學生創新設計組合傳動系統，進行組裝調試并測試各類參數，分析比較各類組合的優缺點，最終確定最佳組合傳動系統。主要目的在于通過優化創新設計組合傳動系統，進一步加強學生對傳動系統的合理布置及優化、傳動效率的提高等的創新設計意識，鞏固學生的機械設計能力與工程實踐能力。

1.4 機械零部件性能試驗

實驗主要內容為：（1）減速器拆裝及軸系結構分析：要求學生正確拆裝各類減速器，畫出軸系結構圖；了解減速器整體結構以及零部件結構特點和作用；測定減速器主要參數，如中心距、齒輪齒數、傳動比、傳動方式、判定輸入、輸出軸；確定斜齒輪或蝸桿的旋向及軸向力；觀察軸承代號及安裝方式；等等。目的在于通過對減速器的拆裝、結構分析和對軸系結構測繪的過程，全面細致地觀察齒輪減速器的整體結構以及零部件的結構特點，并了解它們是如何綜合考慮滿足功能要求、強度剛度要求、加工工藝要求、裝配調整定位要求、密封要求以及經濟性要求的，以達到理論聯系實際，加深關于結構方面的感性認識，為能設計出較為合理的減速器打下良好基礎。（2）漸開線齒輪范成及齒輪參數測定：要求學生用范成法原理加工變位齒輪與標準齒輪；用游標卡尺測定漸開線直齒圓柱齒輪基本參數。通過實驗使學生掌握用范成法制造漸開線齒輪的基本原理；了解漸開線齒輪產生根切現象的原因和避免根切的方法；鞏固并熟悉齒輪的各部分尺寸與參數的關系和漸開線的性質。（3）剛性回轉件的動平衡測試：要求對剛性轉子進行動平衡測試。通過實驗使學生鞏固動平衡知識，熟悉剛性轉子動平衡的方法。（4）滑動軸承性能測試與分析：要求學生測試動軸承的特性曲線、徑向油膜壓力分布曲線與承載量曲線等。目的在于使學生了解滑動軸承的動壓油膜形成過程與現象；了解滾動軸承、滑動軸承的特性、使用場合及各自的優缺點。（5）軸系結構創新設計：要求學生設計一軸系結構并組裝，分析軸系結構設計是否合理，若發現錯誤或是不合理之處，應修改軸系結構設計方案，并重新組裝軸系結構；繪制軸系結構裝配圖。目的在于使學生熟悉和掌握軸的結構與其設計，弄懂軸及軸上零件的結構形狀及功能、工藝要求和裝配關系；掌握軸及軸上零件的定位與固定方法；掌握軸系結構設計的要求與常用軸系結構；了解軸承的類型、布置、安裝及調整方法，以及和密封方式等。

2 充足的實驗課時，促使學生能深入到每個實驗中去

傳統的課程實驗都是依附于課程的，實驗學時往往都很少。如機械原理、機械設計課程實驗總學時為14學時，分兩個學期完成。由于課時少，只能安排一些最基礎的驗證性、綜合性的實驗。在實驗中多以教師講解為主，學生按照教師的指導完成實驗，給學生思考摸索的機會很少。現在的機械零部件性能試驗課程有48學時，一學年內完成。在設置上增加了一些創新性、設計性的實驗。學生對每個實驗都能充分投入，對實驗儀器、實驗原理等都能充分地熟悉了解，實際動手能力得到提高。在設計性、創新性實驗上也給予充分的思考時間，以激發學生的創新思維。

3 采取以學生為主體、教師啟發指導的實驗教學形式，并以多媒體輔助教學

實驗教學方法采用以學生為主體、教師啟發指導的實驗教學形式。要求學生做好實驗預習，對實驗中一些零部件的作用以及較為復雜零部件搭接方法采用多媒體進行講解演示，使學生快速了解零部件功能，同時增加了學生設計方案的時間。每個實驗都要求學生自己設計實驗方案，經教師檢查認可后確定方案的可行性和安全性。在實驗中教師給予學生最大的自由度，放開手腳，使學生成為實驗的主人。當學生遇到困難時，教師給以幫助或提示，并引導學生主動查找相關資料，從多角度、多渠道去觀察和思考問題，不斷進行探索和創新。

4 教學實踐效果

兩年機械零部件性能試驗實驗課程教學，已取得了良好的效果：

4.1 充分提高學生學習的積極性和自主性，同時也深化對本專業的感情

傳統實驗以教師講解為主，學生多是在教師的指導下完成實驗，造成許多知識點學生未能完全理解。通過機械零部件性能試驗實驗課程，學生在實驗室的時間大大增加，能充分將理論知識與實際相結合，理論知識得到了鞏固，并促使學生進一步思考與探索。同時對所學專業有了更深的了解，提高了對本專業的學習興趣。

4.2 提高學生綜合運用所學理論知識分析和解決實際問題的能力，同時也激發了學生的創新意識

實驗的設置由簡單到設計性、創新性的過渡，促使每個學生都能投入到實驗中去。通過方案選擇設計、傳動系統優化設計、綜合性能測試等，使學生將多門課程（機械原理、機械設計、控制理論、計算機語言等）的知識或多項單獨開設的實驗合成一項綜合實驗，所學理論知識得到全面系統的復習，同時提高了學生綜合運用所學知識分析、解決實際問題的能力。通過對所設計的方案進行創新優化，能較好激發學生的創新設計意識，充分調動學生的學習創造性。

4.3 大大提高了實驗設備的利用率及實驗室的使用率

實驗學時和實驗項目的增加，讓以前閑置的實驗設備都得到充分利用。同時實驗室也為學生提供了良好的創新實踐活動條件，促使學生積極報名參加各類工程技術創新大賽，并充分利用實驗室的資源進行方案的模擬運行。

4.4 培養學生認真、嚴謹、科學的工作作風和團隊協作精神

由于大部分實驗的實驗條件和方法都由學生自己擬訂，實驗過程中往往會出現理論上可行，但實際做起來困難的情況，有的學生會出現急躁、心灰意冷的狀態，指導教師應給予正確的引導和鼓勵，使其及時調整心態，正確對待挫折，并積極思考。同時也要求學生能分工明確、互相協作，達到事半功倍的效果。通過實驗學生的綜合素質得到提高。

5 結束語

機械零部件性能試驗課程實驗已取得了一定的效果，但也存在著一些問題和困難，如教師的工作量加大、實驗設備的維護與保養等問題。今后我們將不斷進行探索和改革，進一步完善實驗學時設置及教學方法的改革。

參考文獻

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[2] 呂宏，劉大力，楊春梅.談“機械設計基礎”實踐教學中學生創新能力的培養[J].森林工程，2012，1（28）：87-88.

[3] 郭淑芳，吳健，劉紅俊，尹中偉，徐斌.機械原理及機械設計實驗教學中心開放實驗教學實踐[J].中國現代教學裝備，2009（13）：84-85.

篇6

[關鍵詞]搬運機械手 仿真設計 制作探討

中圖分類號：TP241.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）05-0368-01

引言

機械手主要是代替人的手和胳膊去完成一些動作，根據固定工序進行抓取和搬運物品的一種機械電子裝置。可以幫助人們有效生產，降低勞動強度。機械手在生產中運用越來越廣。

1、U殼搬運機械手的結構設計

1.1 滑座部件結構設計

U殼搬運手設備也是自動化設備，它的主要作用就是將冰箱U殼搬運到傳送帶上[1]。它的滑座部分支撐著設備的水平移動。衡器缸和z軸承載著設備的主要重量，但是它們之間的固定需要依靠滑座部件的中間部分，同時滑座中間部分的右側還可以控制水平交流伺服電機和行星齒輪減速器，減速器和齒條的連接需要借助齒輪來實現。滑座在水平移動的最大距離為1.5米，并且滾珠絲不易于加工，以及它在市場上的價格比較高，所以選擇齒輪齒條來減速。

1.2 z軸結構設計

Z軸結構是用于豎直移動。Z軸結構的最左端是交流伺服電機，電機是維持設備的安全，因為它具有過載能力且帶有抱閘系統，一旦發生故障時，抱閘系統就可以對電機進行抱死[2]。與z軸相連的是片聯軸器，它是有金屬制作而成的，擁有減震和無需和維護等特點。Z軸系部件的左邊有2個角接觸球軸承，角接觸球軸承可以對豎直的載荷進行抵消。Z軸結構中間是絲杠螺母傳動裝置，特點就是損傷小和效率高。Z軸系部件的設計原理是一端固定一端移動，軸的移動方向是經過嚴格控制的，它是由固定制成裝置完成的。軸的伸縮變化時隨著溫度變化的，游動軸控制著溫度。Z軸兩邊運用直線的導軌，幫助z軸做豎直運動。Z軸上有兩個行程開關和光電開關，它的主要功能就是確定對豎直方向限位和豎直零位。1.3開1.3合橫梁結構設計

Z軸和手爪的連接需要依靠開合橫梁裝置，開合裝置依靠六組螺栓就可以實現和z軸的連接，并且它前后有依次有開合氣缸，氣缸上安裝了傳感器的端鎖，這樣氣缸的位置就是由傳感器進行控制的，端鎖是固定氣缸，避免氣缸在停止運行時還會繼續運動。裝置的大臂和小臂在直線導軌上的水平運動需要氣缸的引領。

1.4 夾爪結構設計

夾爪結構包括大臂和小臂以及手爪擋板。大臂上端連接開合橫梁裝置，并且連接處需要加強加固處理，這樣就可以保證裝置安全性能。大臂下段與小臂相連，它們之間的連接需要連接軸來實現的，小臂的轉動是需要連接臂和連接軸之間相互配合才能完成的。小臂上端是擋板裝置，它的主要作用是當小臂停止轉動，減少小臂和大臂阻尼撞擊，達到減緩振動的作用。內支撐氣缸和直線軸帶動手爪擋板裝置是用來幫助小臂進行夾持活動。開合氣缸帶動大、小臂對冰箱u殼進行夾持；小臂上的氣缸保證u殼在夾持時，形狀是完好的，所以它們的夾持都是由外而內進行的。

2、搬運機械手的仿真設計

2.1 小臂結構的仿真設計

為了滿足生產需要通常將小臂的旋轉過程時間控制在兩秒以內，氣缸的啟動回路控制著進出口節流回路，所以通過控制調節節流閥的橫截面積就能夠對活塞運動速度進行控制，讓小臂在兩秒之內完成九十度的旋轉，因為節流閥會影響活塞運動速度[3]。同時，小臂在旋轉過程中，氣缸力矩會大于或者等于重力矩，并且氣缸力臂是在逐漸變小，重力力矩又不斷變大，這就導致小臂的加速度數值越來越小。同時旋轉時間越長緩沖力越小，并且負載厚度和負載質量也越大。在這里選取旋轉時間為1.2秒時，計算出負載厚度壓迫保持在0.66米 ，負載質量要控制在50千克，這時候的緩沖力就是10429牛頓，所以，通常設置小臂運動時間在1.2秒和2秒之間，負載厚度（U殼厚度）保持在0.49米和0.66米之間，這就要求負載質量（冰箱質量）控制在0和50千克之間。這就可以分析出小臂的應力是夠滿足生產需求。

對小臂結構的仿真設計不僅表現在對沖擊力的校核，同時還要對小臂變形與強度進行校核。小臂的強度校核主要是運用相應的模型和ansys靜力分析理論來完成的。并運用相應的數學計算可以得出，小臂不易發生變形，無論使用環境有多惡劣，它都可以正常工作。

2.2 連接臂結構的仿真設計

連接臂的結構設計也需要ansys進行分析，ansys分析程序包括：設計變量初始化，這就要求在進行分析前處理器應該根據設計變量的初始值進行輸入；定義問題，前處理器的主要任務就制定出最優化的有限元模型；執行初始結構狀態結構分析，應力和應變；力以及變形量就是來源于狀態結構分析；獲得計算結果，它的主要工作就是收集和存儲目標函數和約束條件值；進行仿真設計分析，它的任務就是對相關文件以及變量和設計方法進行分析；結果輸出，根據分析的數據繪制出相應的變化圖表。根據相應的理論和運用ansys 系統分析，可以得出在對小臂進行設計時u，它的半徑是九毫米，厚度保持在十三毫米之間。

2.3 支撐架結構的仿真設計

支撐架的仿真設計主要是通過對支撐架結構的瞬間動力學進行分析，得出它的振動幅度和的速度。在對支撐架結構進行仿真設計時，首先是通過運用軟件ansys對支撐架建立相應的模型，并設計支撐架的參數。根據ansys軟件分析的數據我們可以發現當u殼材料是Q235時，它的彈性木梁是210000mpa，泊松比為0.3，密度是7850千克每立方米。這就可以對支撐架進行瞬態動力學分析，并確定支撐架在不同沖擊力喜愛振動幅度的變化以及支撐架的其他特點。

3、u殼搬運機械手的控制軟件設計

3.1 機械手初始化

機械手初始化包括水平和豎直都歸零，同時，所有的氣缸恢復初始化。電機歸零的方法可以通過對電機2坐標軸安裝零位信號，并且在進行歸零處理中選擇先高速后低速的方式進行歸零處理，歸零處理一共要進過三次不同方向的瑰麗處理，才能達到讓電機徹底的歸零[4]。在首次歸零處理時，就可以將正向高速歸零；接著啟動第二次歸零程序，讓反向的低速也歸零，使用puls設置脈沖量，sped決定著是否執行操作；最后一次歸零處理時讓它向正向低速歸零，sped是啟動歸零處理程序，ini則是讓歸零處理程序停止，這時候電機就徹底的歸零 。同時，歸零過程中脈沖值是在觸摸屏中顯示的，數值通過脈沖傳送到寄存器中，寄存器就將數值顯示在觸摸屏中。它們之間相互配合才使得電機歸零順利完成。

3.2 觸摸屏控制

搬運機械手的觸摸屏控制是在氣缸復位和機械手自動循環完成之后進行的，對觸摸屏控制主要包括u型伴型號輸入界面和主菜單界面以及手動運行和分布運行以及自動運行和堅實畫面和系統設置[5]。其中，手動運行包括對伺服電機手動運行和氣缸與吸盤手動運行，分布運行時針對自動循環單步運行，自動運行的主要包括：示教點參數設置1和示教點參數設置2以及自動運行調整界面，監視畫面是對伺服電機坐標以及氣缸與吸盤和系統故障報警實施監控，系統設置是對司機電機速度以及觸摸屏系統的參數進行設置。

總結

U殼搬運機械手的設計運用先進的科學技術，并應用了ansys等系統軟件來幫助u型搬運機械手的設計，對支撐架和連接臂以及小臂的仿真設計中分析它們相應的參數。冰箱u型搬運機械手的仿真設計和制作，讓冰箱u殼的搬運實現自動化，為企業生產經營提供便利。

參考文獻

篇7

關鍵詞 高速機床，導軌防護罩，結構分析

中圖分類號：TG5 文獻標識碼：A 文章編號：1671—7597（2013）022-043-2

隨著計算機技術的不斷發展，數控機床也逐漸成熟，尤其是高速數控機床的出現，進一步提高了數控機床的工作效能。機床的導軌防護罩作為機床導軌、控制電機、傳動絲杠、電纜等電氣設備防護的重要部件，可以避免冷卻液、切削鐵屑等進入機床內部。另外，防護罩也起到機床外形的美化作用。因此，近年來機床的防護罩設計已經開始受到人們的重視。

傳統的機床防護罩一般的移動速度在30 m/min以下。由于對移動速度的要求比較低，所以設計難度不大。但是隨著高速機床的出現，傳統機床防護罩很難滿足高速機床100 m/min-200 m/min移動速度的要求。因此，解決高速機床防護罩在高速移動過程中出現的震動，保證其穩定性和耐用性，意義重大。本文將詳細分析目前最為常見的高速同動型和斜鋼導軌兩大類型防護罩的機械結構和工作原理，本文結論將有助于高速機床防護罩的設計、制作和安裝工作。

1 高速機床導軌防護罩的分類和要求

目前，為了滿足高速機床工作過程中防護罩長期有效的防護并且不影響機床高速加工性能的情況下，出現了多種高速機床的導軌防護罩。這些防護罩可以有多種分類方法，本文主要根據防護方式的不同將其分為高速同動型防護罩和斜鋼導軌防護罩。其中高速同動型防護罩又可以分為有導軌和無導軌兩種，這兩種類型主要結構一樣，區別在于同步機構不同。本文主要分析有導軌式的同動防護罩結構設計。一般來講，高速導軌要滿足以下幾個要求：1）較高的抗震性能；2）較快的移動速度。高速導軌防護罩移動速度最快可達200 m/min；3）較強的加速度能力。為了能快速反應，高速導軌防護罩的加速度可達1 g-2 g；4）較低的噪聲。由于高速運行，所以防護罩的機械裝置一定會產生碰撞和摩擦，可能會發出噪音。因此，鑒于生產環境的要求，系統運行應保持較低的噪音；5）外觀美化。有關高速機床的外形設計已經成為了一門學科，很多學者從不同角度，闡述了高速機床外觀設計的理論。作為機床的一部分，防護罩也應該和機床設計一同考量，具有合適的外觀。

2 高速同動導軌防護罩結構分析

高速同動導軌防護罩一般有兩種類型：一是高速同動機構防護罩；另一種是同動平行機構防護罩。這兩種類型的防護罩都具有同動裝置，因而可以隨同機床高速運行，達到高速機床防護的目的。

2.1 高速同動機構防護罩的結構和特點

高速同動機構防護罩的結構類似剪刀的形狀，因此，有些文獻將其稱之為剪刀式結構。這種結構要求將防護罩的中間軸固定在防護罩葉片上。當機床移動時，防護罩的每個葉片同時運動并且移動的方向、速度和行程一致。同動機構的機械結構為雙自由度結構。整個防護罩的運動依靠高速機床的轉軸提供推力和拉力。為了限制防護罩左右擺動，保持單一運動方向，高速同動機構防護罩采用了刮刷和防護罩軌道的側邊實現控制。這樣的裝置有比較大的缺點，就是當每片防護罩的葉片所受到的摩擦力和支撐力不一致時，產生的扭矩可能會造成防護罩的歪倒，甚至卡死變形。另外，所有的防護罩葉片全都借助轉軸和連桿支撐，各個葉片產生的巨大扭力會使連桿和轉軸老化直至斷裂。

2.2 高速同動平行機構防護罩的結構和特點

為了解決高速同動機構防護罩結構上的缺陷，提高防護罩的耐久性和穩定性，高速同動平行機構防護罩設計理念被提出。在設計結構上，高速平行同動機構防護罩和高速同動機構防護罩基本相同。但是不同于同動機構防護罩，同動平行機構防護罩為單一自由度裝置。其結構特點是將每一片的防護罩葉片固定在兩側轉軸上，形成雙支點，因而可以克服剪刀式機構防護罩在高速運行時，防護葉片左右擺動、扭曲變形等問題。由于大大提高了防護葉片的運行穩定性，高速平行機構防護罩的移動速度也高于同動機構防護罩的100 m/min和1 g的指標，可高達200 m/min和2 g。另外，高速平行機構防護罩增加了導軌槽板，可以大幅度提高防護罩的機械剛度，可以承受較大的外力。因此，高速平行機構防護罩更加堅固耐用。

3 斜鋼導軌防護罩結構分析

斜鋼導軌防護罩的功能和高速同動導軌防護罩類似，可以防護冷卻液和切削屑進入機床內部。另外，由于斜鋼導軌防護罩具有的特殊結構可以將各種加工渣滓和金屬屑收集到排屑器中，實現自動殘渣的收集。

斜鋼導軌防護罩結構的最大特點是防護罩的一端連接在立柱上，另一端連接在機床的橫托板上。隨著機床的左右移動，防護罩可以作伸縮移動，保護機床導軌和內部電氣設備。由于斜鋼導軌防護罩沒有采用高速同動防護罩的支撐塊安裝結構，所以為了加強穩定性和防護罩的剛度，將防護罩的導向桿和防護罩最后小葉片固定連接。其余的防護罩葉片通過支撐塊連接在導向桿上，一般一個防護罩設計兩根導向桿，安裝在防護罩的中間位置。導向桿和支撐塊以及若干加強筋可以大大提高防護罩的剛度，也避免了機床高速運動時產生的抖顫，增加了系統的穩定性。具體結構如圖1所示。

4 結束語

導軌防護罩是高速機床中非常重要的組成部分，可以起到導軌等部件的防護作用。本文詳細介紹了當前比較常見的三種高速機床防護罩結構特點，可以根據具體的使用環境選擇合適的機床防護罩。另外，本文的有關結論也會對高速機床防護罩的制造和安裝工作具有指導作用。

參考文獻

篇8

1 有限元法概述

有限元分析又稱有限單元法，是一種解決場問題一系列偏微分方程的數學方法，被廣泛用于解決結構強度、剛度、振動、傳熱、屈曲問題，在工程機械鋼結構設計領域。美國福特過程在上世紀70年代，便應用有NASTRAN軟件，對車底架進行靜態分析，找出高應力區，進行設計改進。日本五十菱汽車在80年代末將有限元廣泛應用于汽車設計的各個階段。對于結構的優化，其最終目的在于解決鋼結構安全性與經濟性之間的平衡問題，傳統的設計方法采用預先的概念設計，重復進行結構分析、設計演化、構件尺寸調整，工作量大，往往無法進行科學的計算，有限元法對鋼結構優化設計，可對結構外部荷載進行預測計算，如結構響應不滿足要求，或為了更理想的設計，可進行改進設計。

2 工程機械鋼結構靜力學分析

2.1有限元法典型分析步驟

有限分析的主要步驟為結構離散化、選擇位移插值函數、分析單元力學特性、計算等效節點載荷、整體分析、應用位移邊界條件、求解結構平衡方程、計算單元應力。機械工程結構復雜，構件非常多，結構離散化將其分為有限個單元體，并設置節點，將節點連接起來，成為集合體，便代表整個機械結構（被設計結構）的整體設計目標。大型工程機械整體結構基本成熟，現有的結構設計基本上是對原有結構中的某個局部進行優化改進或替代設計。鋼結構是連續的彈塑性體，故為了逼近連續的彈塑性統，需據計算精度、計算機性能，選擇合適的單元數目、基本設計結構，以確定較優的網絡劃分方案。位移插值函數表現節點唯一中任一點位移、應變、應力，即位移函數。能源力學特性，一般采用彈性力學幾何方程，采用節點位移表示單元應變。鋼結構連續彈性經離散化后，考慮到力是從單元公共邊界傳遞到另一個單元的，便需要將單元上的集中力、體積力以及作用在單元邊界的表面力，移植到節點上，形成等效節點載荷。再次，進行整體分析，結合所有單元的剛度方程，建立結構平衡方程，形成總體剛度矩陣。再次，設計位移邊界條件，求解結構方程，計算單元應力，最終求得整體應力。

2.2 有限元法參數化分析技術

有限元的參數化分析是對結構參模型進行簡化的一種方法，通過描述結構的尺寸特征，實現可變參數的有限元分析，目前普遍采用有限元分析軟件進行參數化分析。第一步：①利用參數化實現，根據鋼結構的結構抽象描述特征參數，在不影響精度情況下進行簡化；②利用軟件提供的編程軟件，建立參數化有限元分析流程；③根據設計要求，將參數賦予特征值，進行有限元計算分析。第二步是參數化分析的核心，以變量形式定義特征參數，定義分析類型與過程，定義分析結構的提取與處理。以雙梁式起重機主梁為例，其參數主要包括主梁長、主梁寬、主梁高、主梁端高，上面板寬、尺寸，下面板寬、隔板高、腹板厚、上面板厚、下面板厚、隔板厚、隔板位置等，分別設置為A1-n，單位為mm。采用Solid Works SDA API程序，添加SldWorks 2014 Type Library、SldWorks 2014 Constant type library模塊，進行相應的設計頁面，設置參數，進行計算[1]。

3 工程機械鋼結構動力學分析

傳統的機械結構設計闡述了靜態載荷下強度、剛度分布，工程機械工作強度高，在工作狀態下，鋼材料受力學作用影響，會出現應力變化，受摩擦影響，還可出現升溫，出現機械性能改變，彈性體振動等問題直接影響結構工作狀態。故，需對機械鋼結構進行動力學分析。以結構的振動特性為例，振動特性直接決定結構對各種動力載荷的響應，采用傳統的解析法無法解出復雜結構的固有頻率。機械結構可以視為多個自由度的振動系統，自振頻率與振型取決于結構本身剛度、質量分布，對于工程機械結構而言，工作狀態下，發動機工作振動特點、儀器操作者操控水平、工作面上自振動的人或物振動特點等都影響機械動態狀態下載荷。許多機械工程鋼結構設計者往往忽略了動力學分析，導致設計完成的構件在工作狀態下載荷超出上限，直接影響構件壽命、工作狀態，甚至造成事故[2]。

篇9

關鍵詞：應用型;創新型;機械工程;教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）44-0277-02

機械工程類專業是我校傳統的優勢學科專業，為湖南省機械工程領域培養、輸送了大批人才。隨著經濟、科技的快速發展，邵陽學院根據自身條件順應湖南省科技和經濟發展形勢，提出了“基本技能訓練+綜合能力提高+工程實踐+創新應用”多層次實踐教學體系的改革思路，以培養學生的綜合能力為根本宗旨，堅持專業知識、能力、創新協調發展的實踐教育理念，建立以創新能力培養為核心的實踐教學體系。

一、機械工程應用型創新人才培養現狀

當前，針對機械工程專業應用型創新人才培養模式的教育教學改革研究，國內部分高校的相關專家、學者已開展了積極的研究和實踐，部分重點高校也實施了國家級機械工程應用創新人才培養模式實驗區，如浙江大學多層次機械工程人才培養模式創新實驗區、長春理工大學機械工程“教學、科研、生產”的創新型人才培養模式實驗區等，而現有對機械工程專業應用創新型人才培養的實踐教學環節研究主要側重于通過實驗教學或競賽活動等強化學生的動手能力和應用能力。

對地方本科院校而言，在機械工程領域內的對學生的培養主要側重于工程創新實踐能力，即培養機械工程專業應用創新型人才而非科研型人才。培養機械工程專業應用型創新人才，除了具備實踐操作能力外，更重要的是對機械工程行業前沿的實時把握。針對機械工程領域的發展變化，培養的人才必須具備綜合素質高、實踐能力強的應用型創新人才。

二、機械工程應用型創新人才培養實踐教學體系的構建

根據我校“以提高學生的實踐創新能力為核心目標，創新精神和實踐能力培養相互融合、校內培養與校外實踐鍛煉有機結合”的教學理念，機械工程專業按照學科建設與人才培養相結合、教學與科研相結合、理論教學與實驗教學相結合的原則，在調整改革原有獨立于各門課程的實驗項目的基礎上，構建“基礎性、綜合設計性、研究創新性”多層次的研究型實驗教學體系。

1.機械基礎性實驗。機械基礎性實驗面向低年級機械類專業學生，主要讓學生掌握實驗的基本操作方法及技能、正確使用儀器、掌握正確的數據處理方法。首先，在開展機械基礎課程教學之前，通過機械機構設計綜合展示與分析、機械拆裝及結構分析、機械結構分析及運動簡圖等實驗活動，對學生進行機械設計與創新的“啟蒙教育”;其次，通過工程圖學課程實訓，培養學生二、三維表達與初步的構形設計能力、空間想象能力、手工與計算機圖樣繪制能力，為機械創新設計打下堅實的基礎;第三，對機械設計理論和機械設計基礎知識的初步剖析，讓學生具有初步擬定機械系統方案、創新設計的能力，培養學生綜合應用基礎知識和工程實踐知識進行基本機構的分析和設計的能力和初步具有擬定機構系統運動方案的能力。

2.機械綜合設計性實驗。機械綜合設計性實驗主要面向中、高年級機械類學生，主要分為綜合性實驗和設計性實驗，主要培養學生對知識的綜合運用能力、創新能力、分析與解決問題的能力。綜合性實驗是運用一門課程或多門課程的知識對學生實驗技能和方法進行綜合訓練的一種復合型實驗。設計性實驗是結合各自教學或獨立于各種教學而進行的一種探索性實驗。一般是在學生常規或綜合性實驗訓練的基礎上，經歷了一個由淺入深的過程之后開設的。更進一步的設計性實驗則是在指導教師出題后，全部由學生自己組織實驗，甚至可以讓學生自己選題、自己設計，在教師的指導下進行，最大限度地發揮學生學習的主動性。

我校開設的機械綜合設計性實驗包括微型發動機綜合性能實驗、組合夾具拼裝方案設計及組裝、機構運動創新方案設計實驗、機械運動學、動力學參數測試、滾動軸承組合設計及性能分析實驗、液體動壓滑動軸承性能實驗、靜態與動態螺栓聯接綜合實驗、減速箱結構分析及裝拆實驗、平面機構設計及運動仿真分析實驗等。

3.機械研究創新性實驗。面向機械類高年級學生，以學生為主體，以實現學生自我訓練為主，重視學生個性發展，在更高層面上培養學生的創新能力、實際工程設計能力及初步科研能力。主要由開放式實驗、科技制作、學科競賽、學生科研項目和社會實踐活動等部分組成，以機械產品CAD/CAM為主要內容的綜合創新型實驗課。采用“集中指導、分散設計”的方式，指導學生進行機械創新設計制作，參加各類競賽，培養學生解決實際問題的能力、創新能力、組織能力和科研能力。

三、機械工程應用型創新人才培養實踐教學方法和手段改革

1.構建機械認知實踐教學平臺，培養專業認知能力，啟發創新思維。在專業基礎課程開設前，組織學生到與專業相關的機械制造企業、科研機構等進行參觀學習，了解產品生產過程和生產裝備，了解常用生產設備的功能、工作原理及組成。邀請實踐經驗豐富的企業技術人員進行講解，著重介紹機械工程專業在國民經濟發展中的重要作用，當前機械工程專業技術人才的現狀和發展方向。組織觀看生產錄像，加強計算機仿真教學，培養學生利用計算機等現代信息技術應用機械工程領域的能力。

2.改革實踐教學模式，更新和豐富實踐教學內容，提高實踐教學質量。在實踐環節的教學內容設計時，不能照本宣科，應注重能力的培養，使學生動手能力、創新能力和綜合分析能力得到提升。例如，在金工實習課程教學過程中，鼓勵學生自主創新和后續金工實習。學生通過計算機軟件設計出各種有創意的作品并把它加工出來，不僅增加了學生的實習成就感，還促進了作品的個性化。在課程實驗教學過程中，課程內容在設計時應注重其綜合性、互動性、啟發性和完整性，盡可能地在教師指導下讓學生自己完成部分實驗裝置和儀器的安裝調試，使學生通過實驗，充分掌握專業知識和提升專業技能。在課程設計和畢業設計時，課程內容注重大型的工程系統設計，使學生能運用理論教學環節中所學到的知識思考問題、分析問題和解決問題。

3.注重自主學習與思考，加強培養團隊合作，培養分析問題和解決問題的能力。機械基礎性實驗根據實驗項目和內容分別采用相應的教學方法，引導學生自主學習、獨立思考、獨立完成實驗操作并正確記錄試驗數據，培養學生處理數據、分析判斷、邏輯推理及正確表達實驗結果的能力。綜合設計性實驗采用啟發式、討論式教學，以問題為導向，引導學生獨立學習、思考，以小組形式自主設計實驗方案，自主完成實驗項目，激發學生的創新思維，培養學生的創新能力和團隊合作精神。研究創新性實驗由學生自主設計實驗，查閱資料，分析各種信息來源，獨立解決問題，獨立進行實驗總結，培養了學生自主創新能力和科研能力。

4.引入計算機、網絡等現代教育技術手段改變傳統的教學方式，提高實踐教學的效率。將傳統教學手段與現代化教學手段有機結合，取長補短，優化、整合教學資源，建立了掛圖、模型、視頻、多媒體、實物裝備等多種教學手段，特別是使用以現代信息技術為基礎的現代教育技術手段開展教學活動，激發了學生的學習與訓練興趣，提高了教學效果。將虛擬現實、計算機仿真等先進技術應用到實踐教學中去，引進和研發相應的軟件和硬件平臺，實現在計算機虛擬環境下模擬傳統和現代制造的加工工藝過程，有效地提高了實踐學習的效果。自制和引進工程技術訓練課程教學視頻，研制系列多媒體教學課件，建立了工程技術訓練素材庫及大量案例。通過開展多媒體輔助教學，將課堂實物模型與多媒體課件演示相結合，相得益彰，既增加了學生對工程問題的感性認識，又使學生在有限的時間內獲取了更多的知識。

5.改革考試制度和考核方法，提高實踐教學的主動性和自覺性。為了切實保證實踐環節達到預期的效果，激發學生的實習熱情和創新精神，實現對實踐教學的有效管理，根據不同實踐教學模塊采用不同的考試制度和考試方法，必須要考慮到實踐過程中的復雜性和變化性，盡量做到全方位考核，避免以偏概全。例如，金工實習成績，要綜合衡量學生的平時成績、實際操作技能與質量、創新能力、實習報告等情況，其中平時成績占20%，實際操作技能與質量占50%，創新能力占10%，實習報告占20%，考核形式要有利于學生勞動技能、團隊精神的培養，學生工程意識和創新思維能力的培養，有利于高素質、工程實踐能力強的高級工程技術人才的培養。

四、結語

實踐教學是機械工程類專業創新型人才培養的一個重要部分，邵陽學院機械工程類專業始終以培養學生實踐能力和創新能力為根本，建立了以學生實踐能力、創新能力培養為核心的實踐教學體系，實現了實踐教學貫穿教學的每一個環節，完善了學生的知識結構，培養了學生的創新能力、創新思維和動手能力，從而更好的滿足了經濟建設事業和社會發展的需要。

參考文獻：

[1]毛聰，王向紅，尹來容，張健，劉志強.地方高校機械類專業實踐教學體系構建研究[J].教育教學論壇，2014，（03）.

[2]鐘功祥，劉競偉，呂志忠，彭彩珍.提高機械工程專業畢業設計質量的綜合措施[J].高校實驗室工作研究，2013，（03）.

[3]羅紅旗.機械工程專業實踐教學改革與創新實踐能力分析[J].中國現代教育裝備，2013，（13）.

篇10

【關鍵詞】玻璃鋼 絕緣套管 裂紋 雙側向 電極

對于完成產業化生產的各種測井儀器而言，在交給用戶之前，出廠檢驗是必不可少的。這對于驗證儀器是否能在符合技術指標下的工況中正常作業非常重要，尤其是對于玻璃鋼絕緣套管的檢驗。近期，一種測井儀器的玻璃鋼下絕緣套管在某基地使用時出現了裂紋，發現此現象之后，立即對儀器的上絕緣套管進行檢查，發現上絕緣套管也有裂縫。

圖1所示為該儀器的玻璃鋼電極系的上、下絕緣套管發生裂縫的圖片。如果這樣的儀器在高溫高壓井進行測井作業的話，極有可能出現由于儀器斷裂而造成的儀器墜井事故。針對出現的這一問題，找到儀器絕緣套管破裂的原因并改進其設計迫在眉睫。

1 查找原因

1.結構分析

對儀器玻璃鋼絕緣套管的結構進行分析，發現發生破裂的地方是在儀器上部的主軸接頭處（如圖2所示）和下部的中間接頭處（如圖3所示）。主軸接頭上留有卡六方扳手的位置，中間接頭上有三個定位螺釘的螺紋孔。

此兩處出現裂縫，原因在于絕緣套筒和配合的零部件兩端都裝有O型密封圈，導致泥漿不能進入內部，內外部不能連通，內部零件（主軸接頭和中間接頭）和絕緣套筒之間有空隙，因此在壓力的作用下使得玻璃鋼絕緣套管在大空隙部位發生變形，最終導致在該處破裂。

2 改進方案

2.1 裝配的選擇

在裝配該儀器的時候，不裝絕緣套筒及與其配合零部件兩端的O型密封圈；

2.2 設計的改進

將儀器玻璃鋼絕緣套管內的六方定位螺釘改為一字螺釘，長度適當增加，以保證安裝后與絕緣套筒的間隙盡可能小。將主軸接頭打六方扳手的六個凹面改為兩個，并設計兩個金屬或者復合材料塊安裝在這兩個凹面處，將空隙用硅脂填滿，以彌補內部空間不承壓的弱點；

2.3 對出現裂紋的零件及時進行更換

3 現場使用驗證

將改進好玻璃鋼絕緣套筒的新雙側向儀器放入某基地現場使用，使用一年后，通過外觀檢查與探傷檢查后，儀器玻璃鋼絕緣套筒完好無損。證明新設計改進的玻璃鋼絕緣套筒完全滿足使用要求。另需要特別說明的是，在玻璃鋼絕緣套筒出現一點裂紋之后，只要不是大塊缺損、脫落，就不會影響正常的測井作業。

4 結束語

本文針對相關問題，對一種測井儀器的玻璃鋼絕緣套筒進行了相應的結構分析和設計的改進，并利用現場試用一段時間進行驗證，證實改進方法具有相當的可靠性和穩定性，達到了預期效果，保證了儀器下井作業時的正常工作。

參考文獻

[1] 成大先.機械設計手冊.化學工業出版社，2008.4

[2] 吳宗澤.高等機械零件. 清華大學出版社，1991.1

[3] 劉鳴放.金屬材料力學手冊.機械工業出版社，2011.1