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计算机模拟在材料成型及控制工程专业毕业设计中的运用

时间:2018-11-03 09:32作者:玲佩
本文导读:这是一篇关于计算机模拟在材料成型及控制工程专业毕业设计中的运用的文章,针对材料成型及控制工程专业毕业设计的特点, 就该专业毕业设计中应用计算机模拟技术的意义、案例以及应用效果进行了研究。结果表明, 应用计算机模拟技术, 有助于毕业设计质量的提高, 增强了相关软件的应用能力, 对学

  摘要:针对材料成型及控制工程专业毕业设计的特点, 就该专业毕业设计中应用计算机模拟技术的意义、案例以及应用效果进行了研究。结果表明, 应用计算机模拟技术, 有助于毕业设计质量的提高, 增强了相关软件的应用能力, 对学生掌握专业知识和提高综合素质都具有重要意义。

  关键词:材料成型及控制工程; 毕业设计; 计算机模拟;

  Abstract:According to the characteristics of graduation design of material forming and control engineering, the significance, case and application effect of computer simulation technology in graduation design of this major were studied.The results show that the application of computer simulation technology can improve the quality of graduation design.Enhancing the application ability of relevant software is of great significance for students to master professional knowledge and improve comprehensive quality.

  Keyword:materials forming and control engineering; graduation project; computer simulation;

  毕业设计是工科毕业生实践教学的重要组成部分, 对学生理论和实践结合应用能力的提高具有重要意义, 是培养学生独立学习意识、独立解决问题能力和协作能力的重要环节, 对学生理论知识的巩固和今后工作的发展都具有积极意义[1]。

  1 材料成型及控制工程专业毕业设计的特点

  根据材料成型及控制工程专业的培养方案, 本专业培养人格健全、基础扎实、知识面广、视野开阔、富有创新精神、创业意识和实践能力的创新型、应用型、复合型人才, 具有较扎实的材料成型及控制等方面的基础理论、专门知识、基本技能, 具有技术创新能力与工程实践能力, 能在材料成型及控制领域从事产品设计、开发、制造、应用、研究和运行管理等方面工作的高级工程技术人才。毕业设计是培养学生综合运用所学知识解决实际问题和进行知识创新的主要途径, 是实现教学、科研和社会实践相结合的训练过程[2]。

  1.1 需要较强的材料工程专业知识

  材料工程专业基础知识不仅包括被加工的金属和非金属材料的组织结构和力学性能以及可加工性能, 还包括用于制造成型模具所需材料的知识。只有掌握了这些基本知识, 才能真正完成好毕业设计, 写出高质量的毕业论文。

  1.2 需要掌握材料成型工程等专业知识

  毕业设计内容一般都是有关本专业材料成型方面的内容, 所以必须掌握本专业的材料成型工艺的专业知识, 能够正确分析零件的结构工艺性, 正确设计工艺方案, 合理编制工艺规程, 科学排布工序, 编制工艺卡以及正确选取成型设备等。只有这样, 才能保证毕业设计论文结构合理, 内容正确完整, 真正达到毕业设计的目的。

  1.3 需要掌握模具设计及制造工艺的专业知识

  毕业设计最终必须设计出材料成型模具的装配图和零件图, 并要做到让技术工人根据这些图纸能够加工出用于材料成型的合格模具。因此, 要达到这一点, 就必须掌握模具设计方法和模具制造的基本知识。

  1.4 需要具备计算机辅助制图的能力

  目前, 工厂基本上实现了计算机辅助制图和辅助制造即CAD/CAM。因此学生需要掌握一定的CAD/CAM等方面的技能, 能够在设计中灵活运用Autocad等二维软件和Pro/e, UG, Catia等三维软件。这样才能通过毕业设计为今后的就业打下坚实的基础。

  毕业设计本身是学生大学四年来对本专业所学知识的熟练掌握程度的综合考察, 也是为即将参加工作的一次能力检验的预演。因此, 毕业设计的优劣直接关系到能否实现本专业培养目标, 是一次重要的实践教学活动, 历时近一个学期。

  2 材料成型及控制工程专业毕业设计中应用计算机模拟的意义

  材料成型及控制工程专业毕业设计的最终结果基本上是毕业论文和图纸。学生即使专业知识非常扎实, 毕业设计非常优秀, 但是是否实用, 是否能够运用于工厂生产, 不敢肯定。只有经过实验, 才能检验。但是, 现在大多数学校条件有限, 不可能全部进行实验检验。因此计算机模拟就显得非常重要, 它能够在毕业设计中起到部分甚至全部代替实验的作用。不仅能减少学生的工作量, 而且能提高毕业设计的质量。

  通过计算机模拟, 可以实现:

  (1) 判断设计的模具是否合理, 模拟分析模具加工的产品是否有质量问题。如有问题, 可以对模具进行优化或修改, 这样大大地提高了毕业设计中设计模具的正确性, 提高了毕业设计的质量, 即使有实验条件, 也大大地减少了实验的次数, 降低了成本。

  (2) 能够检验学生大学四年所学基础知识、专业知识和计算机应用能力。计算机模拟必须具有应用二维和三维软件如Autocad、Pro/e、UG、Catia等进行模具造型的能力, 必须具有模具工艺设计的能力, 是专业知识和计算机知识的完美结合。

  因此, 毕业设计中应用计算机模拟能够极大地提高学生应用所学知识的能力, 为将来的科研和工作打下坚实的基础。

  3 材料成型及控制工程专业毕业设计中应用计算机模拟的案例

  在传统的毕业设计中, 很少应用计算机模拟, 这就造成学生在综合训练方面的不足。计算机技术的发展和应用, 使毕业设计更能符合当前企业的实际工艺和模具设计程序, 使毕业生的毕业设计质量、综合能力、动手能力都得到了大大提升。

  目前, 材料成型及控制工程专业毕业设计的一般过程如下:

  (1) 根据教师提供的零件或零件图进行工艺分析, 然后编制工艺方案, 确定设计步骤。

  (2) 根据工艺方案和设计步骤撰写设计说明书, 包括工序安排, 模具结构设计, 模具零件尺寸计算和工艺卡编制等。

  (3) 根据说明书绘制装配图和零件图。

  有条件的下一步进行实验, 没有条件的一般就此结束。显然没有条件的, 这样的毕业设计不尽合理。有条件的也会产生问题, 如时间长, 成本高。

  因此, 计算机模拟这一步不可少。装配图设计好之后, 运用计算机模拟对其进行分析, 发现问题后对设计进行修改, 使工艺方案更加合理, 设计的模具更符合实际;有条件的可以根据最佳方案进行实验验证, 既减少工作量, 又降低成本。

  下面是一个近年我校材料成型及控制工程专业某学生在毕业设计中应用Ansys软件, 为实现拉深件壁厚尽量均匀而进行的优化压边力的实例, 所得成果已发表论文[3]。

  首先, 用Pro/e为图1所示保温瓶内胆底拉深件进行三维造型, 得到如图2所示的几何模型。该拉深件直径82 mm, 高度44 mm, 材料为SUS304, 厚度为0.6 mm。要求拉深件厚度均匀。根据毕业设计的一般过程, 编制完设计说明书, 绘制出模具装配图和零件图。参考教材[4], 计算得到模具以下相关参数:凹模工作部分直径82.6 mm, 圆角半径5 mm;凸模工作部分直径81.4 mm, 圆角半径5 mm;模具单边间隙0.66 mm;坯料直径138 mm;压边力10KN左右;结构对称。由于轴对称, 在Pro/e中建立板料、压边圈和凸、凹模的1/4的模型, 再以IGES格式导入到Ansys/ls-dyna中, 建立几何模型如图2所示。

  图1 拉深零件图Fig.1 Deep drawing parts

  

  图2 几何模型Fig.2 Geometry model

 

  其次, 通过Ansys软件进行压边力对拉深件壁厚变化的影响模拟分析, 得到以下结果:

  (1) 图3所示压边力为5KN时拉深结果, 材料最薄处厚度为0.534 mm, 最厚为0.969 mm, 且最厚处在对称边上的一小角, 大部分的厚度为0.534和0.664 mm, 壁厚由下而上逐渐增厚, 非常不均匀。

  图3 压边力为5 k N Fig.3 Blankholder force 5 k N

  

  (2) 图4所示压边力为10 k N时厚度最薄为0.507 mm, 最厚为0.831 mm, 厚的地方较图4多, 壁厚也不均匀。

  图4 压边力为10 k N Fig.4 Blankholder force 10 k N

  

  (3) 图5是压边力为20 k N的厚度分布图, 直壁厚度在0.5至0.6 mm之间, 各厚度值分布较为均匀。

  (4) 图6为压边力为24.4 k N的厚度分布图, 可见拉深部分已经拉破, 厚度极为不均匀。

  根据以上分析, 压边力为20 k N时厚度分布比较均匀, 符合设计要求。因此, 根据计算机模拟结果, 对设计说明书中所定的压边力进行相应的修改, 确定压边力为20 k N。这样, 所设计的拉深模具能够满足壁厚均匀的要求。

  图5 压边力为20 k N Fig.5 Blankholder force 20 k N

  

  图6 压边力为24.4 k N Fig.6 Blankholder force 24.4 k N

  

  4 材料成型及控制工程专业毕业设计中应用计算机模拟的效果

  由于材料成型及控制工程专业的独特特性, 它与其他专业的毕业设计有着明显的区别, 因此, 该专业应用计算机模拟对学生毕业设计的质量、综合能力的提高都有积极意义。应用计算机模拟进行毕业设计的学生毕业后, 不论是学生本人还是用人单位, 都认为学生的综合素质和动手能力都在逐年提高, 取得了良好的效果。

  4.1 毕业设计质量提高

  通过应用计算机模拟技术, 毕业设计方案更加合理, 数据更加准确, 毕业设计的质量明显提高。对存在的问题有更深刻的认识, 设计的工艺方案及流程更接近企业的要求, 使学生毕业后能够更快地适应工作, 提高实际工作能力。

  4.2 综合训练水平得到提升

  通过在毕业设计中运用计算机模拟技术, 学生不但进一步巩固了所学的材料成型及控制工程专业知识, 而且熟悉掌握了Autocad和Pro/e等造型软件以及Ansys等模拟软件, 学生综合训练水平得到提升。

  5 结论

  毕业设计是材料成型及控制工程专业学生实践环节的一个重要内容, 毕业设计中应用计算机模拟技术, 能够大大地提高学生应用所学专业知识的能力, 提高其综合素质, 对其今后的工作和学习都具有积极意义。

  参考文献

  [1]金文中.普通院校材料成型与控制工程专业本科毕业设计存在问题的分析及对策[J].中国科技信息, 2010 (18) , 285-286.
  [2]薛彩霞.本科毕业设计 (论文) 存在问题及质量控制措施[J].高教论坛, 2011 (11) , 56-58.
  [3]周六如, 胡县文, 罗忠民.基于ANSYS/LS-DYNA的保温瓶内胆底拉深压边力数值模拟[J].热加工工艺, 2013, 42 (21) , 85-87.
  [4]卢险峰.冲压工艺模具学[M].第三版.北京:机械工业出版社, 2014.

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