論文名稱：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的顆粒離散元仿真技術(shù)及實現(xiàn)

論文作者：武漢大學(xué)/ 胡勵

指導(dǎo)教師：胡國明《研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計分析方法、微納制備技術(shù)?！?/p>

離散單元法是一種求解顆粒及散體物料運(yùn)動與力學(xué)行為的數(shù)值方法。在顆粒制備與處理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方面，顆粒離散元仿真技術(shù)得到了普遍的認(rèn)可，并取得了一系列有價值的研究成果。對于這類機(jī)械產(chǎn)品的顆粒離散元仿真需要著重考慮并實現(xiàn)以下三個方面的技術(shù)問題：邊界模型的表面形狀、運(yùn)動及磨損的描述問題；顆粒與復(fù)雜的邊界模型間的接觸判斷問題，以及仿真軟件的設(shè)計及實現(xiàn)問題。

顆粒離散元仿真的邊界模型通常涉及幾何形狀復(fù)雜、運(yùn)動形式多變的機(jī)械部件，它們受到大量散料顆粒的頻繁撞擊和摩擦并產(chǎn)生表面磨損。論文基于三角網(wǎng)格邊界建模方法，實現(xiàn)了邊界模型的運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法和表面磨損描述方法，解決了復(fù)雜邊界模型形狀、運(yùn)動和磨損的描述問題，并以散料挖掘等仿真算例驗證了這些方法的有效性。

顆粒離散元仿真采用接觸判斷算法捕捉顆粒單元與邊界模型之間的碰撞，進(jìn)而更新各顆粒單元的接觸力。接觸判斷算法是制約離散元仿真計算速度的最大的瓶頸之一。論文提出并實現(xiàn)了一種新的基于幾何關(guān)系推理的接觸判斷算法，改進(jìn)了球形顆粒與復(fù)雜的三角網(wǎng)格邊界間的相交檢測方法，并采用散料混合仿真算例驗證了該算法的有效性和穩(wěn)定性。

開發(fā)一套通用性強(qiáng)、功能集成度高的離散元仿真軟件對于促進(jìn)顆粒離散元方法在散料制備與處理機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用具有重要意義。然而，目前很少有文獻(xiàn)資料系統(tǒng)而完整地說明顆粒離散元仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)方法。論文開發(fā)了一套三維顆粒離散元仿真軟件，并以螺旋輸送機(jī)的仿真算例驗證了該仿真軟件的有效性。

最后，論文針對球磨機(jī)存在的高能耗和高鋼耗問題，開展球磨機(jī)的顆粒離散元仿真研究。論文分別從磨機(jī)內(nèi)部研磨介質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)分析、磨機(jī)功率分析、磨機(jī)碰撞能量譜及能量分布，以及磨機(jī)襯板的表面磨損預(yù)測等幾個方面，說明了顆粒離散元仿真在球磨機(jī)以及其它相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用價值。

論文名稱：超聲珩齒振動系統(tǒng)的非諧振設(shè)計理論與實驗研究

論文作者:太原理工大學(xué)/ 秦慧斌

指導(dǎo)教師:呂明《研究領(lǐng)域:齒輪精密制造理論與技術(shù)》

論文重點研究了齒輪超聲精密加工諧振系統(tǒng)的設(shè)計理論及其超聲珩齒工藝實驗。主要研究工作如下：

將齒輪等效為與其分度圓等徑的中厚環(huán)盤，利用Mindlin中厚板振動求解理論，通過齒輪輪轂、輻板、輪緣三個環(huán)盤單元的耦合振動連續(xù)條件和邊界條件，并結(jié)合三個環(huán)盤單元的厚度尺寸關(guān)系，建立了圓柱齒輪的橫向彎曲振動求解的統(tǒng)一模型，為齒輪超聲加工振動系統(tǒng)的設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

提出了齒輪與變幅桿兩非諧振單元超聲加工振動系統(tǒng)的非諧振設(shè)計理論。其實質(zhì)是根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)特點，合理簡化其振動模型，聯(lián)合建立齒輪和變幅桿的振動系統(tǒng)模型，通過耦合振動連續(xù)條件和邊界條件建立系統(tǒng)的振動頻率方程，進(jìn)而確定滿足諧振頻率和振動模態(tài)的系統(tǒng)形狀尺寸參數(shù)。

對不同振動方式齒輪變幅器所適應(yīng)齒輪參數(shù)范圍給出定量描述。推導(dǎo)出各類型縱向、縱彎諧振變幅器的頻率方程，通過多種變幅器的設(shè)計、有限元分析驗證、諧振特性實驗，表明：對于分度圓直徑一定，不同的中小模數(shù)、齒數(shù)圓柱齒輪的變幅器設(shè)計，非諧振設(shè)計理論是正確的。

應(yīng)用三維振動里茲數(shù)值求解方法，統(tǒng)一了圓錐、指數(shù)形和懸鏈線形變幅桿的扭轉(zhuǎn)、縱向、彎曲振動的求解方法；結(jié)果表明：三維振動里茲數(shù)值法求解比一維振動理論求解準(zhǔn)確，方便了大截面變幅桿的設(shè)計。統(tǒng)一了徑向變厚度環(huán)盤橫向彎曲和徑向振動的求解方法，為變厚度齒輪動態(tài)分析建模、振動特性分析提供了一種新的求解分析方法。為超聲珩齒振動系統(tǒng)的精確建模和三維振動求解分析提供了研究基礎(chǔ)。

應(yīng)用上述設(shè)計理論研制了高速超聲珩齒裝置，在Y4650珩齒機(jī)上構(gòu)建了超聲珩齒實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲珩齒。與傳統(tǒng)珩齒相比，超聲珩齒的工藝優(yōu)勢在于：可以獲得更理想的齒面質(zhì)量、更高的珩削效率，且齒面加工紋理復(fù)雜，齒輪的齒形、齒向、徑向跳動、周節(jié)累積偏差有不同程度的減小，尤其齒向偏差減小更明顯。為利用超聲振動增大珩齒的修形能力，提高齒輪加工精度，提供了實驗依據(jù)。

振動系統(tǒng)的全諧振設(shè)計是非諧振設(shè)計的特例，非諧振設(shè)計涵蓋了全諧振設(shè)計。非諧振設(shè)計方法同樣適合于其他齒輪超聲加工振動系統(tǒng)的設(shè)計，為超聲加工在齒輪精密制造中的發(fā)展與應(yīng)用奠定了理論和實驗基礎(chǔ)。