論文名稱(chēng)：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的顆粒離散元仿真技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

論文作者：武漢大學(xué)/ 胡勵(lì)

指導(dǎo)教師：胡國(guó)明《研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)分析方法、微納制備技術(shù)。》

離散單元法是一種求解顆粒及散體物料運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jià)值的研究成果。對(duì)于這類(lèi)機(jī)械產(chǎn)品的顆粒離散元仿真需要著重考慮并實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：邊界模型的表面形狀、運(yùn)動(dòng)及磨損的描述問(wèn)題；顆粒與復(fù)雜的邊界模型間的接觸判斷問(wèn)題，以及仿真軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)問(wèn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了邊界模型的運(yùn)動(dòng)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(dòng)和磨損的描述問(wèn)題，并以散料挖掘等仿真算例驗(yàn)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(jì)算速度的最大的瓶頸之一。論文提出并實(shí)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(cè)方法，并采用散料混合仿真算例驗(yàn)證了該算法的有效性和穩(wěn)定性。

開(kāi)發(fā)一套通用性強(qiáng)、功能集成度高的離散元仿真軟件對(duì)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(jì)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(shuō)明顆粒離散元仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。論文開(kāi)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(yàn)證了該仿真軟件的有效性。

最后，論文針對(duì)球磨機(jī)存在的高能耗和高鋼耗問(wèn)題，開(kāi)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(dòng)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(cè)等幾個(gè)方面，說(shuō)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(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。

論文名稱(chēng)：超聲珩齒振動(dòng)系統(tǒng)的非諧振設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)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(diǎn)研究了齒輪超聲精密加工諧振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及其超聲珩齒工藝實(shí)驗(yàn)。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(pán)，利用Mindlin中厚板振動(dòng)求解理論，通過(guò)齒輪輪轂、輻板、輪緣三個(gè)環(huán)盤(pán)單元的耦合振動(dòng)連續(xù)條件和邊界條件，并結(jié)合三個(gè)環(huán)盤(pán)單元的厚度尺寸關(guān)系，建立了圓柱齒輪的橫向彎曲振動(dòng)求解的統(tǒng)一模型，為齒輪超聲加工振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)的非諧振設(shè)計(jì)理論。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理簡(jiǎn)化其振動(dòng)模型，聯(lián)合建立齒輪和變幅桿的振動(dòng)系統(tǒng)模型，通過(guò)耦合振動(dòng)連續(xù)條件和邊界條件建立系統(tǒng)的振動(dòng)頻率方程，進(jìn)而確定滿(mǎn)足諧振頻率和振動(dòng)模態(tài)的系統(tǒng)形狀尺寸參數(shù)。

對(duì)不同振動(dòng)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(lèi)型縱向、縱彎諧振變幅器的頻率方程，通過(guò)多種變幅器的設(shè)計(jì)、有限元分析驗(yàn)證、諧振特性實(shí)驗(yàn)，表明：對(duì)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(jì)，非諧振設(shè)計(jì)理論是正確的。

應(yīng)用三維振動(dòng)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(dòng)的求解方法；結(jié)果表明：三維振動(dòng)里茲數(shù)值法求解比一維振動(dòng)理論求解準(zhǔn)確，方便了大截面變幅桿的設(shè)計(jì)。統(tǒng)一了徑向變厚度環(huán)盤(pán)橫向彎曲和徑向振動(dòng)的求解方法，為變厚度齒輪動(dòng)態(tài)分析建模、振動(dòng)特性分析提供了一種新的求解分析方法。為超聲珩齒振動(dòng)系統(tǒng)的精確建模和三維振動(dòng)求解分析提供了研究基礎(chǔ)。

應(yīng)用上述設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)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(shì)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(dòng)、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(dòng)增大珩齒的修形能力，提高齒輪加工精度，提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

振動(dòng)系統(tǒng)的全諧振設(shè)計(jì)是非諧振設(shè)計(jì)的特例，非諧振設(shè)計(jì)涵蓋了全諧振設(shè)計(jì)。非諧振設(shè)計(jì)方法同樣適合于其他齒輪超聲加工振動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。