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机械结构分析与设计范文1
关键词：中部槽；结构设计；ANSYS；结构强度；结构刚度
中图分类号： P634.3+3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-177-2
0 引言
中部槽是刮板输送机的重要组成部分，主要用于承担物料荷载，具有体积大、重量重等特点。刮板输送机的中部槽组装时，一般先根据运输巷道的长度来确定所需中部槽的个数，然后通过设备吊装单个中部槽进行组装。目前，煤矿井下吊装中部槽大多通过钢丝绳捆绑中部槽进行吊运，此吊装方式不仅费时费力，而且存在一定的危险性。所以在设计中部槽机械抓手时，综合中部槽的结构特点、运行工况进行结构设计；同时，通过有限元软件ANSYS对机械抓手的重要结构零部件进行力学分析，保证中部槽机械抓手在特定工况下满足安全使用要求。
1 中部槽机械抓手结构设计
1.1 总体结构概述
1.主梁箱；2.端梁
1.液压缸；2.齿条组；3.齿轮组；4.自由端抓手；5.固定端抓手
如图1所示，中部槽机械抓手主要包括主梁箱、端梁，端梁通过焊接固定安装在主梁箱两端。主梁箱整体结构采用板材焊接成箱型截面的梁体，而箱型结构具有良好的抗弯抗扭性能[4]。主梁箱箱盖上设有吊耳，主要用于实现与起重机吊链的连接，进而通过机械抓手将中部槽吊运到适当位置。端梁的前、后端头形状设计成中部槽卡槽形状，有利于在吊运中部槽的过程中，端梁更好的卡在中部槽卡槽中。
1.2 主梁箱及端梁结构设计
主梁箱内部安装有液压缸、齿条组、齿轮组，液压缸为整个机械抓手的动力部件，通过齿条组、齿轮组的啮合传动，推动自由端抓手卡在中部槽卡槽中，进而实现抓手对中部槽的抓取动作。齿条组包括左齿条、右齿条、横梁，左齿条、右齿条分别焊接在横梁的两端；齿条组的横梁与液压缸活塞杆通过销轴连接。齿轮组有两对，分别安装在箱体底板的左、右两侧。
端梁包括固定端抓手、自由端抓手，固定端抓手和自由端抓手的端头在设计加工时，需根据中部槽卡槽的具体形状来进行相似设计，保证端头能正好卡在中部槽的卡槽中。固定端抓手内部设有滑槽，自由端抓手可在固定端抓手内部的滑槽面上沿滑槽长度方向上实现平移运动；所述自由端抓手一侧焊接有齿条，所述自由端抓手的齿条与齿轮组的齿轮互相啮合。
1.3 液压缸相关参数设计
油缸采用的是一级伸缩式油缸，在确定油缸内径时，仅需满足油缸推力要求即可。行走油缸的内径D为
式中：
F―活塞杆所受的最大负载，单位N；
Φ―为推移油缸杆径比。
由负载分析可知，油缸最大负载为F=158000N，带入相关数据可以求得D=43mm，圆整后取D=45mm。
根据油缸内径尺寸，经查机械设计手册得其他相关尺寸，如表1所示。
2 机械抓手关键部件的有限元分析
起吊端盖是整个机械抓手的主要承载单元，需要对起吊端盖进行强度校核，利用 SolidWorks建立起吊端盖几何模型，对其进行合理简化。模型建成后，将后连接件保存为*step的格式，并导入到ANSYS Workbench软件中，采用solid186单元类型，完成材料属性的设置，采用智能网格进行网格划分，单位大小设置为6.0mm，得到起吊端盖的三维有限元模型。
根据起吊端盖的实际工况及其受力情况，约束施加在起吊端盖四个下连接耳座上，且采用固定全约束。根据机械抓手起吊中部槽的重量以及抓手自身重量，共计2.4t，取安全系数为1.5，则最大起吊力为3.6t，起吊力作用在起吊端盖的上耳座，方向竖直向上，另外起吊端盖应考虑自身重力的影响[3]。将上述载荷施加到齿条组连接件上，再进行求解。
得知，最大应力值为245.43MPa，出现在起吊端盖四个下连接耳座上，根据强度分析结果，同时考虑起吊端盖具有良好的强度和刚度，材料选取而进行有限元分析时，加载的工作载荷为正常情况下1.5倍，所以后连接件的使用安全系数S为：
S=1.5×2.24=3.36
《煤矿安全规程》规定煤矿设备安全系数S不小于3，起吊端盖的安全系数是3.36，可以满足工程实际需要。
起吊端盖整移均匀，没有较大的变形，也不存在明显的突变变形，最大的变形为0.0158mm。所以起吊端盖强度满足要求，其设计合理可靠。
3 结束语
本文通过对中部槽机械抓手的设计研究，解决以往巷道铺设中部槽过程中，中部槽安装、起吊移动不便的问题，通过该研究设计，能够大幅提高中部槽起吊移动的速度，减少中部槽安装时间，提高铺设中部槽的效率，满足矿井高产高效的要求，具有重要的经济效益和社会效益；同时，利用有限元分析软件ANSYS对机械抓手的关键部件起吊端盖进行结构强度及刚度分析，结果表明起吊端盖的结构强度及刚度满足安全使用要求。该设备的研究应用能够为快速铺设刮板输送机提供有利条件，推广前景开阔。
参 考 文 献
[1] 姜翎燕.工作面刮板输送机技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2007.08-0102-05.
[2] 葛伟伟，张森，李媛媛，孙维丽.井下搬运机械手的设计与仿真研究[J].煤矿机械，2015.02-0047-03.
机械结构分析与设计范文2
关键词空间拉索；多塔斜拉桥；设计
1工程概况
新三条石桥是天津市南运河上一座造型优美的新桥，该桥为机非混行桥，设计机动车道为双向6车道，荷载等级为城－A级。该桥全长40m，宽39m，桥梁中心线与南运河河道斜交，斜交角度为20度。现状南运河为天津市二级河道，河道上口宽30m，主要功能为蓄排城市雨水、美化环境、调节气候并维护城市生态，正常通航水位2.0m，通航净空2.2m。
该桥造型独特，为小跨径的空间多塔斜拉桥，桥梁主体结构通过斜拉索及六个桥塔共同支承，斜拉体系则由塔前索、塔背索及塔间索共同组成，全桥共计32根拉索。桥面系由钢结构纵横梁与钢筋混凝土桥面板组合而成（图1为新三条石桥效果图、图2为新三条石桥实景图）。
2 结构设计
新三条石桥桥梁跨径为40m，宽39m，桥梁与河道斜度为20度，为反对称的斜交桥。主梁由纵横钢梁与混凝土桥面板组合而成，斜拉体系由钢塔柱、塔前索、塔背索及塔间索组成。桥塔与纵梁固结，人行道搭设在横梁悬臂上，桥面铺装厚度为5cm中粒式沥青混凝土和4cm细粒式沥青混凝土。
桥面横断面布置为3.5m（人行道）＋1m（边塔拉索锚固区）＋3.25m（非机动车道）＋11.25m（机动车道，具体组成为3.75m+ 3.5m＋3.5m＋0.5m）＋1 m（中塔拉索锚固区）＋ 11.25m（机动车道）＋3.25m（非机动车道）＋ 1m（边塔拉索锚固区）＋ 3.5m（人行道）。
2.1 钢混组合式主梁
主梁采用钢－混凝土组合梁构造，钢主梁结构由3根主纵梁、6根次纵梁及9道中横梁、2道端横梁组成纵横梁体系，为了施工制作及现场拼焊的方便，所有钢主梁均采用工字型截面，材质为Q345qD。
由于主桥与河道两岸接口道路基本平交，为尽量减少造价、减小梁高度对通航净空的影响，中塔柱对应的钢混组合主纵梁的高跨比为1/30.8，边塔柱对应的钢混组合主纵梁的高跨比为1/37.5，钢混组合式主梁刚度较弱，属于柔性主梁，因此各斜拉索的索力负担比较大。
中塔柱对应的钢主纵梁高度为1.1m，宽1.0m；边塔柱对应的钢主纵梁高0.867m，宽1.0m。顶、底翼缘板及腹板厚度均为40mm，斜拉索吊点位置的部位采取贴板的形式进行了局部加强。次纵梁钢梁高度为0.9m,截面宽0.7m。吊杆与纵梁连接处的钢横梁高度为0.8m，其余横梁截面高度为0.6m，截面宽度均为0.5m。
钢筋混凝土桥面板与纵横钢梁结合为一体，板厚0.2m，全宽32m，由于桥梁为单跨结构，结合现场施工条件，为尽量减少混凝土的收缩和徐变，桥面板设置后浇带，采取两步现浇的施工工艺。
2.2 主塔
全桥钢塔柱共计有6根，两主墩位处横向各布置三根，分别位于桥梁设计中心线及两侧的人行道与非机动车道之间，将行车区域划分为2个区域。
钢塔柱采用圆形截面形式，直径0.6m，壁厚40mm，塔柱全高为15.024m，塔柱内部间隔2m用环形加劲肋进行柱体的加强。斜拉索上吊点位于桥面以上约12米处，塔柱的顶部锚固有3.5m的PE材料柱状灯具。装饰后塔的总高度为17米，塔柱高且截面刚度较弱，张拉过程中不平衡索力会使塔顶的变形较大，因此成桥后在塔柱中灌注C50微膨胀混凝土，塔柱形成钢管混凝同受力模式，以增大塔柱的和刚度，增强稳定性，减小活载下塔柱的变形。
2.3 空间斜拉索
空间斜拉索布置分为塔前索、塔背索、塔间索，每处拉索都由两根拉索组成（如图3所示），拉索前点锚固于纵梁上，后点锚固于基础内。拉索均采用热挤聚乙烯高强平行钢丝束成品索，φ5mm高强镀锌平行钢丝。上端采用叉耳式锚固构造处理，下端采用叉耳内旋式构造。拉索的安全系数取2.5，斜拉索均以双索的形式进行设计，一方面减少单个索体的负荷、减小耳片的结构尺寸，另一方面，也方便日后的索体更换。
中塔柱塔前、背索共计8根，边塔柱塔前、背索规共计16根，塔间索共计8根。
3 结构受力分析
3.1 结构静力分析
3.1.1 计算模型
桥梁总体静力分析采用Midas程序。根据有限位移理论建立三维有限元模型。主塔及主梁采用三维梁单元，斜拉索采用桁架单元模拟。由于组合梁结构的刚度在组合前后会发生变化，因此按照拟定好的主要施工工况进行计算。
结构的边界约束条件为：主塔与主梁固结，桥梁一端中塔柱下的支点均采取固结（转角约束释放），边塔柱下支点约束竖向和横向位移，另一侧塔柱下的支点仅约束竖向；后背索的锚固点采取固结。
3.1.2整体结构分析结果
通过有限元程序按照斜拉桥正装过程进行计算，考虑组合梁组合前后的刚度变化，分析各阶段全桥结构受力状态的变化，以调整各部位刚度的分配。从整体分析结果可以得出：
主塔的应力较大，且主要由恒载产生，活载产生的应力仅为恒载的一半；全部恒载下塔顶位移的变形比较理想；活载产生的纵向塔顶位移较小，而横向位移较大，表明在活载偏载的情况下，偏载位置的塔间索力增大后，由于塔柱刚度较弱，造成了位移较大；因此恒载施工完毕后，在塔柱内灌注微膨胀混凝土以增大主塔的刚度是有必要的。
塔柱、拉索及主梁使全桥在纵向上形成三跨弹性支点的连续梁体系，横向上形成两跨弹性支点连续梁体系，因此主梁横向位移恒载下成W形，活载下成∧形。恒载最大位移为40mm，活载最大位移为58mm。组合式主梁的钢梁最大拉应力153MPa，混凝土桥面板主要承受轴向拉力及弯矩，根据荷载短期效应并考虑长期效应的影响，混凝土桥面板裂缝控制在0.2mm以内满足规范的要求。
3.1.3斜拉索索力
由于主梁及主塔刚度都相对较弱，使得拉索的索力较大，因此拉索索力大小直接控制桥梁的整体姿态。第五施工阶段的拉索初索力采用刚性拉索法得出，既将拉索弹性模量或面积扩大千倍，而拉索的容重不计。然后再将索力回代拉索实际情况下进行下阶段的正装分析。由于本桥均采用双拉索设计，两根拉索的垂直距离为0.5m，因此用刚性拉索法计算出的外侧索力比内侧索力大2～3倍；回代索力时应取用总索力的平均值。
3.2 结构稳定性分析
对本桥型而言，塔柱的刚度相对较柔，因此塔柱的稳定性是至关重要的。根据建立的空间模型，采用三维有限元程序进行线弹性稳定安全计算，首先考虑了特殊施工阶段工况（即阶段初索力张拉后浇注桥面板混凝土）及在恒载情况下更换斜拉索等工况，得出的稳定安全系数均为负数，既表示需要反向加载才能发生屈曲，且失稳都发生在主梁的局部梁段。接着在恒载工况下，针对活载加载不同范围分别进行了屈曲分析，仍然得到负数的稳定安全系数，因此可以判断主塔的稳定系数很高，满足规范规定的稳定安全系数大于4.0的要求，不会发生屈曲的危险，说明结构是稳定的。
4 结语
机械结构分析与设计范文3
关键词 机械设计课程；过山车；疲劳分析
中图分类号：G642.4 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）10-0075-03
1 工程教育专业认证与机械设计课程
机械设计课程是机械设计制造及其自动化专业重要的技术基础课程，课程目标与专业认证对毕业生（知识与能力）要求具有三方面能力的对应关系。
1）具有运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济知识和管理知识的能力（G2）。
2）具有运用工程基础知识和本专业基本理论知识解决问题的能力；具有系统的工程实践学习经历；了解本专业前沿发展现状和趋势（G3）。
3）掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力；设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素（G5）。
将机械设计课程与培养目标和培养要求直接联系起来，在教学过程中结合大学生创新创业训练项目，培养上述三方面的能力。
2 机械设计教学与工程能力培养
机械设计课程的主要任务是培养学生掌握通用机械零、部件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计机械传动装置和简单的机械的能力；具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。通过本课程的学习，使学生初步掌握如何将复杂的工程实际问题通过合理的简化，应用所学理论公式进行设计或计算。因此，本课程对学生工程能力的培养起着重要的作用。
过山车运载小车上的关键零部件有轮架承重轮轴、侧导轮轴及倒挂轮轴、轮架、车桥桥壳、车桥半轴、连接杆、连接叉和尾部连接器。过山车关键零部件疲劳分析所用的基本理论是机械设计课程中的机械疲劳强度计算和轴的疲劳校核。然而进行过山车运载小车上的关键零部件结构分析和疲劳分析，要对以上零部件模型系统进行实体建模。实体建模，采用三维实体建模工具SolidWorks完成对轨道和零部件有限元建模工作。然后通过对已有的三维实体模型进行装配，直接导入SolidWorks Motion中，原有的装配关系映射为约束关系，同时添加运动约束和动力学载荷，对过山车一个工作循环进行动态仿真。
本文基于动态仿真所得数据，将过山车运载小车关键零部件的有限元模型分别导入SolidWorks Simulation中，并将运动学和动力学仿真所得相关载荷数据施加到相应零部件中，应用机械设计课程相关理论对其进行结构分析和疲劳分析。
3 关键零部件结构分析和疲劳分析
本文以轮架承重轮轴、轮架和尾部连接杆为例，对其进行结构分析和疲劳分析。轮架和尾部连接器的实体模型如图1、图2所示。
轮架承重轮轴
1）结构分析。在动力学仿真分析模型中测出在运行过程中一侧单个承重轮轴上所受的最大力为F=133 135.5 N。有限元计算得到承重轮轴应力图和变形位移图如图3、图4所示。
由两图可知，承重轮轴的最大应力为σmax=186.75 MPa，最大变形位移为0.02 mm。位移变形较小。
承重轮轴材料为40CrNiMoA，力学性能σs=835 MPa，σb=980 MPa；
通过对过山车零部件的结构疲劳分析可知，过山车关键零部件结构疲劳强度满足安全要求，关键零部件结构性能安全。
4 结论
基于动态仿真所得动力学载荷数据和SolidWorks Simulation快速有限元分析算法所得数据，对过山车关键零部件进行结构分析与疲劳分析，最终得出过山车关键零部件安全的结论。机械设计教学与大学生创新创业训练项目结合，培养了学生运用工程工作所需的相关数学、自然科学以及经济知识和管理知识的能力（G2）；运用工程基础知识和本专业基本理论知识解决问题的能力（G3）；掌握基本的创新方法，追求创新的态度和意识，综合运用理论和技术手段设计系统和过程的能力（G5）。
参考文献
机械结构分析与设计范文4
1.复杂结构的子结构分析技术
（1）复杂结构的剖分与子结构分析
对于任意一种大型复杂的结构，我们都可以将其划分为若干个部分，这些部分称为子结构。这些细分的结构靠着边界节点和整体结构相互连接。在该过程中，如果将这些节点组成一个集合，那么这个集合便是一个复杂的大型机械结构。在使用过程中，只要将每个节点刚度效应计算出来，并且将其实施在边界节点上，这样就可以解决了大型复杂结构分析问题。从而更加准确的求解出规模小的边界问题。当然在该过程，还应该充分明确子结构和边界结构之间的联系，如果还可以将其分为二级、三级或者更多的子结构，那么可以更加详细去分析。但是这个过程需要充分考虑到多重子结构问题。如果使用K表示的是子结构的刚度矩阵，使用u表示子结构的总位移矩阵，P表示的是总荷载矩阵。那么就可以将每个节点中的刚度矩阵表现出来，它的表示为Ki。一旦边界节点的位移己知，结构的内节点的位移便由公式。需要充分明确，子结构仅仅是和边界相等的边界荷载矩阵，它对于整体的结构的奉献是一致的，因此可以称其为超单元，那么就可以明确出了边界节点，就可以得出最终的公式.从子结构中分析得出，该公式主要使用于计算出节点自由度，从而得出等效矩阵。从研究中发现，当各个结构的边界节点越来越少时，那么可以知道矩阵的规模也会比较小。因此，可以看出，想要准确的划分出一个复杂的结构，就可以将其细分成很多歌子结构，这是一个最常使用的方法。该过程中，应该尽量控制子结构内部节点规模，保障边界节点数比较少。
（2）子结构的变换与组装
在一般整体结构分析中，使用了四种坐标系。其中，节点坐标系确定了节点自由度的方向：元素坐标系规定了元素刚度（载荷）矩阵与子结构之间的变换矩阵：子结构坐标系将确定子结构等效边界刚度（载荷）矩阵向整体结构的组装的变换矩阵：整体坐标系通常取世界系。
2.建模分析
（1）应用梁单元分析
应用梁单元可以模拟结构，在同一方向上，长度明显大于其他方向的尺度，而且沿着应力方向，这是时候的应力是最关键的。梁理论基本都是假设变量关系，在由结构变形来判断。这些变量都是沿着结构长度进行的，而且会有对应的函数。为了使得梁理论产品可以被接受，横截面积尺度应该小于结构典型轴向尺度的十分之一。梁单元假设在垂直方向上，它的梁轴线还同平面保持平衡，那么就需要保障整个网格的精细度，网格应该将梁单元包含在内。梁单元的曲率都是根据梁n2进行确定选择的。如果当n2的方向和梁轴正交时，那么可以将其认定为初始弯曲。但是曲率计算方式比较多，想要计算出直梁组成结构的曲率，需要模拟出直梁的平均化线法，这样才可以引入曲率。使用应用梁作为壳体模型时，需要使得梁单元的节点都处于横截上。当结构构件常常出现承受扭矩问题时，几乎所有的三维框架结构都会出现该情况，当一个构件出现弯曲时，另一个构件会出现扭转。在该环节中需要充分考虑到成型性能和强度。选择材料显得至关重要，将其定位为一般工程的钢材，它自身具备的强度、承载冲击力性能都比较好。
（2）有限元件分析
第一，需要确定出单元类型。因为有限元分析一般都是分析空间问题比较普遍，那么就应该充分考虑到计算时间和计算精度问题，选择的单元模型是BRICKSOLID45。
第二，建立模型。因为使用的材料是复杂钢材，在实际使用过程中，应该保证在不变形的情况下使用，而且最好选择弹性材料，做好参数设置。
第三，建立模型。在Pro/E中，机械是由几个装配研制而成。需要导入的ANSYS，一般也是单独的个体，但是进行有效元件分时，需要将这些零件组合成一个整体，这样才更好的进行约束。建立起真实的模拟图形，可以根据以下菜单执行。MODELING一0PERATE--BOOLEAN--GLUE―VOLUME，选择所有零件之后，就可以点击确定，完成了该步骤之后，零件装配就可以变成一个整体。
第四，网格设置。使用第一步骤中的单元类型和材料性能，选择出专门的实体，这样就可以准确的对机械进行网格划分。在划分中还应该明确，边界条件和载荷。因为当机械主要受力是在背面，当受到荷载力横向弯曲力时，根据板壳理论，近似认为后板是四边铰支的薄板结构。当考虑到工作中会受到集中荷载力影响时，就需要进行模拟分析，这样就可以将荷载力放置在随机区域内，在进行模拟分析的时候，就应该将把载荷加载在会导致机械变形最大的位置， 这样才能保证设计的零件能满足要求。
（3）3D模型分析
需要明确的是，Pro/E在建立复杂3D模型方面功能很强，因此可以在Pro/E中建立起完整的3D模型。机械由几个零件装配而成，借助ANSYS软件可以设置新的文档接口类型，这样就可以在菜单中进行自由选择，选择ANSYS--GEOM选项时，就可以将装配的原图放置其中，那么该模型就会自行的转化成了ANSYS格式。ANSYS会自动将程序进行启动，在使用下拉菜单就可以显示出实体模型效果。有限元件分析就可以执行。
3.结束语
随着社会不断发展，计算机技术得以广泛使用，计算机技术提升工作效率。文章分析了有限元在机械设计中发挥出的作用，这个作用越来越明显，越来越强大。基于有限元件基础上，使得机械设计问题更加简单化。
参考文献
[1]张国栋，周昌玉，薛吉林.内压与焊接残余应力共同作用下高温管道蠕变有限元分析[J].《金属学报》ISTIC EI SCI PKU 2008年10期
机械结构分析与设计范文5
1 编写机械零部件性能试验教学大纲，合理设置实验项目及内容
根据机械原理、机械设计课程内容及以往的实验设置情况，我们主要开设1个认知实验、3个大实验项目。每一大项中再设置验证性、综合性、设计性、创新性的实验内容，以达到巩固专业基础知识的目的，从而进一步培养学生综合设计及工程实践能力，同时也激发学生的创新意识。
1.1 机械认知
这个实验主要是让学生参观机械原理、机械设计、机械创新设计陈列柜，通过观察分析各类机构、零部件及创新方法等，使学生对所学课程有更进一步的感性认知，同时激发对所学专业的学习兴趣。
1.2 机构分析实验及创意设计
实验主要内容为：（1）机构运动简图的测绘与分析： 要求学生分析机构，画出机构运动简图并计算自由度。主要目的是使学生掌握正确绘制机构运动简图的方法及机构自由度的计算方法，理解机构自由度的概念。（2）机构创新设计及模拟：要求学生自行设计机构运动方案，并进行机构组装、调试、运行及改进，最终确定方案。目的在于通过实验使学生灵活运用机构组合、机构演化与变异，创造性地设计、拼接机构。同时也提高了学生的实际动手能力，通过对方案进行结构分析、运动分析、动力分析及实际测定，检验设计的方案是否满足工作要求，培养学生对各种常见机构的综合运用能力及创新设计能力。通过机构的方案设计、机构的组装调试及模拟运行等使学生实际动手能力、团结协调能力得到较好培养，同时也培养了学生的创新意识和创新能力，激发和调动了学生的学习积极性和自主性，以及参加各类机械创新设计大赛的热情。
1.3 机械传动性能测试分析及创新组合
实验主要内容为：（1）各种典型机械传动装置并测试参数曲线及分析比较：要求学生分别组装带传动、链传动、万向节传动、蜗杆传动、齿轮传动等测试装置，并测试在传递运动与动力过程中的参数曲线，分析比较运动特点及优缺点。目的是使学生通过组装各种典型机械传动装置，并测试在传递运动与动力过程中的参数曲线，进一步分析比较各类传动的运动特点、优缺点及使用场合。（2）优化创新设计组合传动系统：要求学生创新设计组合传动系统，进行组装调试并测试各类参数，分析比较各类组合的优缺点，最终确定最佳组合传动系统。主要目的在于通过优化创新设计组合传动系统，进一步加强学生对传动系统的合理布置及优化、传动效率的提高等的创新设计意识，巩固学生的机械设计能力与工程实践能力。
1.4 机械零部件性能试验
实验主要内容为：（1）减速器拆装及轴系结构分析：要求学生正确拆装各类减速器，画出轴系结构图；了解减速器整体结构以及零部件结构特点和作用；测定减速器主要参数，如中心距、齿轮齿数、传动比、传动方式、判定输入、输出轴；确定斜齿轮或蜗杆的旋向及轴向力；观察轴承代号及安装方式；等等。目的在于通过对减速器的拆装、结构分析和对轴系结构测绘的过程，全面细致地观察齿轮减速器的整体结构以及零部件的结构特点，并了解它们是如何综合考虑满足功能要求、强度刚度要求、加工工艺要求、装配调整定位要求、密封要求以及经济性要求的，以达到理论联系实际，加深关于结构方面的感性认识，为能设计出较为合理的减速器打下良好基础。（2）渐开线齿轮范成及齿轮参数测定：要求学生用范成法原理加工变位齿轮与标准齿轮；用游标卡尺测定渐开线直齿圆柱齿轮基本参数。通过实验使学生掌握用范成法制造渐开线齿轮的基本原理；了解渐开线齿轮产生根切现象的原因和避免根切的方法；巩固并熟悉齿轮的各部分尺寸与参数的关系和渐开线的性质。（3）刚性回转件的动平衡测试：要求对刚性转子进行动平衡测试。通过实验使学生巩固动平衡知识，熟悉刚性转子动平衡的方法。（4）滑动轴承性能测试与分析：要求学生测试动轴承的特性曲线、径向油膜压力分布曲线与承载量曲线等。目的在于使学生了解滑动轴承的动压油膜形成过程与现象；了解滚动轴承、滑动轴承的特性、使用场合及各自的优缺点。（5）轴系结构创新设计：要求学生设计一轴系结构并组装，分析轴系结构设计是否合理，若发现错误或是不合理之处，应修改轴系结构设计方案，并重新组装轴系结构；绘制轴系结构装配图。目的在于使学生熟悉和掌握轴的结构与其设计，弄懂轴及轴上零件的结构形状及功能、工艺要求和装配关系；掌握轴及轴上零件的定位与固定方法；掌握轴系结构设计的要求与常用轴系结构；了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，以及和密封方式等。
2 充足的实验课时，促使学生能深入到每个实验中去
传统的课程实验都是依附于课程的，实验学时往往都很少。如机械原理、机械设计课程实验总学时为14学时，分两个学期完成。由于课时少，只能安排一些最基础的验证性、综合性的实验。在实验中多以教师讲解为主，学生按照教师的指导完成实验，给学生思考摸索的机会很少。现在的机械零部件性能试验课程有48学时，一学年内完成。在设置上增加了一些创新性、设计性的实验。学生对每个实验都能充分投入，对实验仪器、实验原理等都能充分地熟悉了解，实际动手能力得到提高。在设计性、创新性实验上也给予充分的思考时间，以激发学生的创新思维。
3 采取以学生为主体、教师启发指导的实验教学形式，并以多媒体辅助教学
实验教学方法采用以学生为主体、教师启发指导的实验教学形式。要求学生做好实验预习，对实验中一些零部件的作用以及较为复杂零部件搭接方法采用多媒体进行讲解演示，使学生快速了解零部件功能，同时增加了学生设计方案的时间。每个实验都要求学生 自己设计实验方案，经教师检查认可后确定方案的可行性和安全性。在实验中教师给予学生最大的自由度，放开手脚，使学生成为实验的主人。当学生遇到困难时，教师给以帮助或提示，并引导学生主动查找相关资料，从多角度、多渠道去观察和思考问题，不断进行探索和创新。
4 教学实践效果
两年机械零部件性能试验实验课程教学，已取得了良好的效果：
4.1 充分提高学生学习的积极性和自主性，同时也深化对本专业的感情
传统实验以教师讲解为主，学生多是在教师的指导下完成实验，造成许多知识点学生未能完全理解。通过机械零部件性能试验实验课程，学生在实验室的时间大大增加，能充分将理论知识与实际相结合，理论知识得到了巩固，并促使学生进一步思考与探索。同时对所学专业有了更深的了解，提高了对本专业的学习兴趣。
4.2 提高学生综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力，同时也激发了学生的创新意识
实验的设置由简单到设计性、创新性的过渡，促使每个学生都能投入到实验中去。通过方案选择设计、传动系统优化设计、综合性能测试等，使学生将多门课程（机械原理、机械设计、控制理论、计算机语言等）的知识或多项单独开设的实验合成一项综合实验，所学理论知识得到全面系统的复习，同时提高了学生综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力。通过对所设计的方案进行创新优化，能较好激发学生的创新设计意识，充分调动学生的学习创造性。
4.3 大大提高了实验设备的利用率及实验室的使用率
实验学时和实验项目的增加，让以前闲置的实验设备都得到充分利用。同时实验室也为学生提供了良好的创新实践活动条件，促使学生积极报名参加各类工程技术创新大赛，并充分利用实验室的资源进行方案的模拟运行。
4.4 培养学生认真、严谨、科学的工作作风和团队协作精神
由于大部分实验的实验条件和方法都由学生自己拟订，实验过程中往往会出现理论上可行，但实际做起来困难的情况，有的学生会出现急躁、心灰意冷的状态，指导教师应给予正确的引导和鼓励，使其及时调整心态，正确对待挫折，并积极思考。同时也要求学生能分工明确、互相协作，达到事半功倍的效果。通过实验学生的综合素质得到提高。
5 结束语
机械零部件性能试验课程实验已取得了一定的效果，但也存在着一些问题和困难，如教师的工作量加大、实验设备的维护与保养等问题。今后我们将不断进行探索和改革，进一步完善实验学时设置及教学方法的改革。
参考文献
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机械结构分析与设计范文6
提出一种适应于在轨全周期热变形的分析方法，采用基于热传导算法进行“热分析模型－结构分析模型”全周期温度场映射，利用数学拟合算法开展对各类结果数据的分析，通过相关程序实现全周期多工况温度场映射、计算、数据分析的自动化。对某遥感卫星进行全周期热变形分析，结果表明：全周期温度场映射时间由天缩短至小时量级，温度场映度可控制在1％以内，相对于以往基于极端工况的热变形分析方法，可显著地提升分析精度与验证覆盖性，获得在轨热变形量级、全周期变化规律。文章的研究结果可为航天器热稳定设计提供参考。
关键词：
航天器；在轨全周期；热变形；稳定性
1引言
随着对地、对天观测航天器指标要求的日益提高，高图像定位精度成为高性能遥感航天器的典型特征。在轨结构变形直接影响相机、星敏感器、陀螺等关键部件自身空间指向及彼此间的几何关系，甚至影响相机内部各镜片间的空间位置关系，是决定图像定位精度、相机成像质量的重要因素之一［1－3］。结构在轨热变形在相机安装处引起的位移一般为微米级，对于低分辨率观测航天器，这些扰动可以忽略；但对分辨率优于1m的航天器，则必须考虑热变形扰动影响，因为这些影响可能直接决定了成像质量能否达到设计指标。一般情况下，微米级的结构变形可能导致角秒级的设备安装面法向指向变化，进而出现米级的成像误差。同时，与其他因素相比，航天器结构在轨热变形具有一定的随机性，很难通过后期在轨处理消除其影响。因此，在轨稳定性对高分辨率航天器的性能指标至关重要，在地面研制阶段就应结合航天器系统需求开展航天器高稳定结构设计、验证工作。仿真分析是航天器机械系统研制的有力支撑，对于设计工况复杂、影响因素众多的结构热稳定设计而言，在轨热变形分析直接支撑了系统指标分配、结构研制、热变形地面试验方案设计等各研制环节［4－5］，国内已经开展的结构热变形分析工作多数是针对结构热膨胀、吸湿性的理论研究［6－8］，以及零膨胀铺层设计的研究［9］等，对航天器结构的在轨热变形分析及试验验证主要立足于某特定温度场或模拟温度场，如模拟在轨工况的最高温工况、最低温工况、最大温差工况等，或通过施加最大包络载荷实现对在轨热变形的预估及结构低膨胀设计［10］。随着结构热稳定性要求的日益提高，国外对结构热稳定性的研究已经深入到在轨微裂纹、微蠕变等领域［11－13］，并开展了结构热稳定高保真仿真方法研究、影响因素灵敏度研究［14－16］等，这些研究的基础在于对在轨全周期热变形的高效、高精度仿真。在轨全周期热变形分析还能为在轨成像标定策略的制定提供参考，进而实现在传统图像修正方法的基础上进一步提升修正精度。因此，新一代遥感航天器研制对在轨全周期热变形分析需求日益迫切。由于在轨全周期热变形分析涉及的工况数量较大，一般可达数百、甚至上千个温度工况，且面临机热耦合效应复杂、温度边界及力边界模拟难度大等技术瓶颈，因此对热控设计温度场数据与结构分析温度场数据高效、高精度映射，以及多工况下热变形高保真分析、结果高效处理及判读等，均提出了更高要求。在ESA的部分设计资料里，虽然提到了热变形分析方法［17］，但没有阐述如何开展在轨全周期各个时刻的热变形分析。目前，国内关于全周期热变形分析的案例较少，支撑全周期热变形分析、实现海量数据快速映射的方法更是鲜有提及；虽然有学者依据热分析模型重新划分结构分析模型，然后从数据文件中读取相应节点的各个时刻的温度数值，按照不同载荷工况的形式写入计算文件进行温度场分析［18］，但是数据转换过程较多，影响了全周期热变形分析的效率。本文首先对适应于在轨全周期热变形分析方法进行探讨，重点介绍了基于热传导算法的“热分析模型－结构分析模型”全周期温度场映射方法，以及基于数学拟合算法开展结果数据处理及判读方法，阐述了全周期热变形分析流程。基于上述方法对某遥感卫星进行全周期热变形算例分析，获取了在轨热变形量级、全周期变化规律等，并与传统分析方法进行了对比，结果表明本文提出的方法可显著地提升分析精度与验证覆盖性。
2全周期热变形分析方法
2．1总体思路
用于热变形分析输入的温度场，通常是基于ThermalDesktop、I－DEAS、UG等软件开展的热分析得到，用于热分析的数学模型与用于结构分析的数学模型（一般为通过PATRAN、ABAQUS等有限元分析软件建立的结构分析有限元模型）在节点位置、网格离散程度、建模简化方式等方面均存在差异性。例如，某航天器高稳定载荷适配支撑结构热分析模型约有6000个节点，结构分析模型有16000个节点［10］。因热分析与结构分析所采用的软件差异性，以及二者分析模型的差异性，在开展热变形分析前，首先要将热分析温度场映射至结构分析模型上，进而实现温度数据从热分析模型传递至结构分析模型，并作为结构分析输入载荷。本文提出的方法是首先生成无温度场的结构分析计算文件，然后进行全周期工况判读及分析，基于热传导算法实现热分析模型向结构分析模型的温度场映射，并对可能存在的不能映射节点和奇异节点（温度远高于或远低于在轨实际温度的节点）进行二次映射，继而生成映射后的温度场及结构分析计算文件，判断无误后进行计算，并对全周期热变形分析结果进行数据拟合、生成报告。具体流程如图1所示。
2．2基于热传导算法的全周期温度场映射
2．2．1热传导算法概述
从映射算法上讲，以往热变形分析主要采用基于几何差值的映射算法，该算法仅与空间位置相关，是目前商业软件中广为采用的映射方法。其局限性在于，对于非连续结构、不同组件连接结构的映射工况，易产生映射奇异的现象，无法识别各部位或各组件之间温度的差异性。从温度场映射实现工具来说，目前广泛采用基于有限元商业软件进行温度场映射，此类方法对于温度场单次映射较为通用，但对于全周期热变形分析则具有一定的局限性，具体表现为：①温度场导入及映射功能主要基于手动实现，很难满足全周期成百上千个工况温度场高效映射分析。②商业软件一般仅内嵌基于几何算法的映射方法。③因单位不同、设计师不同，热分析过程可采用ThermalDesktop、I－DEAS、UG等不同软件，进而导致热分析结果数据格式存在显著差异，商业软件在数据导入、映射方式上对于各类热分析软件适应性较差。本文提出的基于热传导算法的全周期温度场映射方法，能以既有节点温度场为基础，依据结构热传导特性进行映射计算，避免因2个组件空间距离较近、但并不属于同一温度范围的节点发生映射关系。同时，采用二次开发程序对映射方法进行封装，分别建立适应于不同热分析软件的温度场映射模块。通过开发与有限元商业软件前后处理工具的接口，实现温度场映射批量处理、结果数据批量处理、结果数据批量判读等，可显著地提升映度和分析效率。通过图2（a）一个简单的结构组件分析模型，可以证明基于热传导算法进行温度场映射的优势。算例中的结构组件由高温结构、低温结构、室温结构3部分组成，彼此间存在隔热层，可以阻断热传递。基于几何插值映射方法无法考虑低热导率层的影响，见图2（b）；而基于热传导算法得到的温度场映射结果，可更为真实地反映实际温度情况，见图2（c）。
2．2．2温度场映射过程
基于热传导算法的全周期温度场映射过程包括3个步骤。
（1）构建热分析模型单元节点和结构分析模型单元节点之间的对应关系，如图3所示。
（2）基于数学方法实现热分析模型节点与结构分析模型节点的关联，一般准则为：覆盖热分析模型节点的结构分析模型节点温度，按照热分析模型节点温度取值。使用有限元形函数获取加权系数ai。Ttj＝∑iaiTfi（1）式中：Ttj为第j个热分析模型节点温度；∑iai＝1；Tfi为第i个结构分析模型节点温度。写成矩阵形式为Tt＝ATf（2）式中：Tt为热分析模型节点温度矩阵；A为权重系数矩阵；Tf为结构分析模型节点温度矩阵。通过用热控材料替代结构分析模型材料（例如用MAT4材料卡片替换MAT1材料卡片），基于结构分析模型可计算得到热传导矩阵Ct。
（3）求解如下的插值方程。CtATA［］0Tf［］q＝0T［］t（3）式中：q为拉格朗日乘子。通过式（3）即可求解结构分析模型节点温度矩阵Tf。
2．3数据拟合算法
航天器在轨热变形分析的目的，是获取关键设备指向变化或各设备间的夹角变化，由此引申出采用何种方式来表征设备指向及其夹角的问题。目前，国内外广泛采用的表征方式有2种。
（1）对于光学相机、星敏感器等设备，主镜、次镜等关键部件均沿设备轴向且近似在一条直线上，可选取此线上的多个关键点，应用“多点拟合线”的方式获取设备指向。
（2）选取设备，安装面上的多个关键点，采用多点拟合面的形式获取设备安装面矢量，以此模拟设备安装指向，此种方法对于各类设备均具有通用性。由于结构分析结果一般为有限元模型节点位移，因此要借助其他程序并选取相应数学算法，对有限元分析结果进行二次处理和判读［19－20］。对于直线矢量计算，设待拟合直线矢量n个节点的坐标为（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），…（xn，yn，zn），写成如下矩阵形式。X＝x1y1z1xnynz熿燀燄n燅＝X［1X2X3］（4）计算式（4）的协方差矩阵D如下。D＝d11d12d13d21d22d23d31d32（5）式中：dkl＝E（Xk－Xk）（Xl－Xl）（6）式中：X为平均值矩阵；k＝1，2，3；l＝1，2，3。计算协方差矩阵D的特征值为λ1，λ2，λ3，则由特征值λ1，λ2，λ3组成的向量［λ1λ2λ3］即为待拟合直线的向量。对于平面法线向量计算，设待拟合平面法线矢量的n个节点的坐标为（x1，y1，z1），（x2，y2，z2），…，（xn，yn，zn），写成如下矩阵形式。X＝x1y1z1xnynz熿燀燄n燅＝［X1X2X3］（7）由式（7）各列减去各自的均值，得到矩阵R如下。R＝［X1－X1X2－X2X3－X3］（8）计算矩阵R的特征值为β1，β2，β3，则由特征值β1，β2，β3组成的向量［β1β2β3］即为待拟合平面法线矢量。
3算例分析
3．1温度场映射
某遥感卫星3个星敏感器通过支架安装于相机承力框上，相机安装在卫星结构平台上，其中整星机械坐标系Z向为卫星纵向（相机对地观测方向），整星机械坐标系X向、Y向为卫星横向（相机承力框及载荷适配结构面内方向）。该卫星每天运行15个轨道周期，热控设计时要对卫星全生命周期所有极端工况取一个最大包络，即卫星在轨运行每天承受的温度工况均不会超过目前给定的15个轨道周期状态，以载荷适配结构为例，其中3个典型位置的15个轨道周期热分析节点温度见图4。根据高定位精度设计需求，须开展15个轨道周期不同姿态下相机成像、数传记录等关键时刻点的热变形分析，由此获取相机安装面法向转角、星敏感器安装面法向转角，以及相机安装面法向与星敏感器安装面法向间的夹角变化。同时，分析不同的姿态、星敏感器和工作模式下上述各项分析结果的变化规律，为高定位精度指标分析提供支撑。将采用ThermalDesktop软件得到的全周期热分析温度场作为输入，采用图1仿真流程、基于热传导算法进行全周期近千余时间点温度场映射，并对映射奇异节点进行二次修正，生成可用于NASTRAN软件进行有限元分析的批处理求解文件。此外，通过MAT－LAB程序实现“热分析温度场输入－温度场映射－温度场修正－有限元计算”高度集成化与自动化，进而实现全周期温度场映射时间由天缩短至小时量级。为验证映确性，选取第一轨道周期温度梯度较大4个时刻点，分别对应第一轨道周期温度场“正弦曲线”的起点时刻、波谷时刻、波峰时刻、终点时刻。将映射前的热分析温度场与映射后的结构分析（有限元分析）温度场进行对比，由图5热分析温度场与结构分析温度场对比结果可以看出，基于热传导算法可实现热分析与结构分析温度场的精确匹配，由热分析模型到结构分析模型的温度场映度可控制在1．00％以内（详见表1）。
3．2全周期热变形分析结果
在以往热变形评估工作中，主要选取模拟在轨工况的极端工况进行分析，尤其是以某个高温或低温状态的均匀温度作为输入载荷，基于上述思路，针对图5所示第一轨道周期典型时刻温度场，选取4个极端温度点（38．50℃，69．90℃，―34．30℃，―51．78℃）作为均匀温度载荷输入（模拟工况），开展热变形分析，获取星敏感器安装面法向与相机安装面法向夹角变化，并与全周期分析结果（真实工况）进行对比，见图6。从图6可以看出：4个模拟工况虽然可以反映一个周期内变形的平均值，但不能覆盖全周期各时刻点可能出现的真实变形情况，说明采用全周期热变形分析的必要性和优势。在轨运行期间，卫星有效载荷（如光学遥感卫星的对地或对天观测相机）部分会采取精密控温、相对常温变化仅为几摄氏度，而卫星平台部分相对常温存在几十摄氏度的温度波动。选取第一轨道周期变形量最大时刻点进行变形分析，由图7～9整星、平台、主承力立柱、相机适配支撑结构等部分变形云图可以看出，在轨温度交变引起的平台部分变形在几百微米，接近毫米级。而由图10、图11相机、相机主承力框变形云图可以看出，相对于平台部分而言，相机主承力框变形相对较小。通过全周期热变形分析，获取了1～15轨道周期3个星敏感器安装面与相机安装面法向夹角变化，见图12。由分析结果可以看出：①3个星敏感器安装面与相机安装面法向夹角变化呈现正弦周期性变化，每一圈对应一个完整正弦波，此种变化趋势与图4所示的热分析温度场周期性变化情况相对应。②星敏感器安装面与相机安装面法向夹角变化存在显著差异性，如＋X＋Y星敏感器安装面与相机安装面法向全周期最大夹角变化超过30″，而另外2个星敏感器安装面与相机安装面法向最大夹角变化未超过20″。③3个星敏感器支架同一变形形态出现时刻存在差异，即一个星敏感器支架变形位于“波峰”之时，另一个可能位于“波谷”。由此，获得了不同星敏感器安装面与相机安装面法向最大夹角变化量级及彼此差异性，可为整星在轨稳定性评估、卫星定位精度评估等提供重要参考。
4结论
本文提出了在轨全周期热变形分析方法，基于热传导算法进行“热分析模型－结构分析模型”温度场映射，基于数学拟合算法开展结果数据处理，获得了航天器在轨全周期热变形量级、全周期变化规律等，可得出如下结论。
（1）基于热传导算法并通过相关程序实现全周期千余时间点映射过程的自动化，可将全周期温度场映射时间由天缩短至小时，温度场映度可控制在1％以内，相对于传统分析方法显著地提升了分析精度和全周期覆盖性。
（2）获取了整星在轨全周期热变形情况，从变形云图可以得到整星平台、相机、星敏感器支架等关键部位变形状态、量级及宏观变形传递趋势。
（3）通过各星敏感器安装面与相机安装面夹角变化全周期分析，可以看出3个星敏感器安装面与相机安装面夹角变化呈现正弦周期性变化，且变形量级、同一变形形态出现时刻均存在差异。本文的热变形分析方法及所获取的变形规律具有一定的普适性，可用于航天器机械系统的热稳定设计，对于高精度、高稳定性航天器的研制具有参考价值。
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