上海海洋大學(xué)研究生開題報(bào)告

PAGE1上海海洋大學(xué)研究生科研基金項(xiàng)目申請(qǐng)書學(xué)號(hào)：姓名：學(xué)院：專業(yè)：導(dǎo)師：起止年限：2011.12.1-2013.6.30課題名稱：基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的顎式破碎機(jī)變型優(yōu)化設(shè)計(jì)一、立論依據(jù)1、課題研究目的和意義隨著“十二五”規(guī)劃的推進(jìn)，農(nóng)村房屋建設(shè)、農(nóng)村軌道交通建設(shè)、水電風(fēng)電發(fā)電等重點(diǎn)項(xiàng)目方向的確立，對(duì)建筑石材、砂土、磚塊等材料的需求越來越大，這些材料都是由破碎機(jī)破碎后的石料制作而成，破碎機(jī)的需求也隨之增長(zhǎng)。破碎作業(yè)常按給料和排料粒度的大小分為粗碎、中碎和細(xì)碎。常用的破碎機(jī)械可以分為6類，錘式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)、立軸沖擊式破碎機(jī)和顎式破碎機(jī)等。錘式破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)用于中碎、細(xì)碎；輥式破碎機(jī)用于超細(xì)粉碎；反擊式破碎機(jī)通常用來粗碎、中碎脆性物料。沖擊式破碎機(jī)適用于中硬和極硬物料的破碎、整形；顎式破碎機(jī)用于粗破、中破，一般作為低級(jí)破碎設(shè)備[1-6]。顎式破碎機(jī)是最古老的一種破碎機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和能破碎堅(jiān)硬物料等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于選礦、建筑材料等工業(yè)部門。然而各種行業(yè)需要的物料硬度各不相同，給料和排料粒度大小也不相同，因此需要根據(jù)不同物料硬度、給料和排料粒度設(shè)計(jì)不同尺寸的各種型號(hào)的破碎機(jī)，滿足不同客戶的個(gè)性化需求。顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，其設(shè)計(jì)思路為工程設(shè)計(jì)思路，即根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，參照國(guó)內(nèi)外已有機(jī)型憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、確定各參數(shù)值，運(yùn)用理論力學(xué)、材料力學(xué)公式計(jì)算其是否符合強(qiáng)度要求。這種設(shè)計(jì)方法工作量大，計(jì)算易錯(cuò)，方法落后，周期長(zhǎng)，當(dāng)遇到客戶的個(gè)性化需求時(shí)，這種設(shè)計(jì)方法很難快速實(shí)現(xiàn)顎式破碎機(jī)的快速變型設(shè)計(jì)（變型設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品工作原理、基本功能定義不變的情況下，通過對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的變異來滿足不同工作性能的需求）。本課題就此問題開展研究，通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)顎式破碎機(jī)進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，建立顎式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，分析其運(yùn)動(dòng)特性，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)思想對(duì)顎式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。并且開發(fā)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的顎式破碎機(jī)變型自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程、減少工作量、保證計(jì)算準(zhǔn)確性，減短變型設(shè)計(jì)的開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。2、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析（1）國(guó)內(nèi)外顎式破碎機(jī)的機(jī)型研究狀況顎式破碎機(jī)是由美國(guó)人E.W.布雷克（Blake）發(fā)明的。自第一臺(tái)顎式破碎機(jī)問世以來，至今已有140余年的歷史。在此過程中，其結(jié)構(gòu)得到不斷的完善。為了改善顎式破碎機(jī)性能和提高工作效率，國(guó)內(nèi)外曾從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改善，研制過各種異型顎式破碎機(jī)。國(guó)內(nèi)上海某學(xué)院曾研制過一種單軸倒懸掛的雙動(dòng)顎破碎機(jī),其動(dòng)顎同步運(yùn)轉(zhuǎn)，使破碎機(jī)強(qiáng)制排料。這樣，靠提高轉(zhuǎn)數(shù)增加破碎機(jī)產(chǎn)量，同時(shí)由于物料與動(dòng)顎沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減少襯板磨損延長(zhǎng)使用壽命。早年，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)相繼生產(chǎn)了Kue-Ken簡(jiǎn)擺顎式破碎機(jī)。該機(jī)特點(diǎn)是，動(dòng)顎懸掛高度很高并且前傾。連桿下行為工作行程、主軸承為半圓滑動(dòng)顎軸承。山東招遠(yuǎn)黃金機(jī)械廠曾引進(jìn)了這種破碎機(jī)，并在此基礎(chǔ)上研制了Jc顎式破碎機(jī)。國(guó)外制造過一種肘板向上放置的顎式破碎機(jī)。國(guó)內(nèi)有幾家設(shè)計(jì)院和制造廠生產(chǎn)了這種破碎機(jī)。它的特點(diǎn)是靠增大傳動(dòng)角改善動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)特性，提高破碎機(jī)性能。美國(guó)鷹破碎機(jī)公司制造一種傾斜式顎式破碎機(jī)。其傳動(dòng)角大約70°以上。它的最大特點(diǎn)是低矮，最適于井下或移動(dòng)式破碎機(jī)上工作。北京礦冶研究總院與某廠合作生產(chǎn)了幾個(gè)規(guī)格的這種破碎機(jī)，其中最大為900x1200顎式破碎機(jī)。國(guó)內(nèi)山西某煤礦引進(jìn)德國(guó)WB8/26顎式破碎機(jī)。該機(jī)置于皮帶機(jī)上方，借助曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)動(dòng)顎壓碎煤塊。實(shí)踐證明使用效果較好。以上各項(xiàng)異型破碎機(jī)的研制都取得了一定的效果，并對(duì)國(guó)內(nèi)破碎機(jī)行業(yè)的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)和促進(jìn)作用。但是，都沒能得到大面積推廣使用。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)制造廠生產(chǎn)的和現(xiàn)場(chǎng)使用的都還是傳統(tǒng)復(fù)擺顎式破碎機(jī)。[7]對(duì)于傳統(tǒng)復(fù)擺顎式破碎機(jī)的性能改善就顯得尤為重要。保證顎式破碎機(jī)最佳性能的根本因素是動(dòng)顎具有最佳的運(yùn)動(dòng)特性。這個(gè)特性又是借助機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)所得到的。因此，顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證破碎機(jī)有最佳性能的根本方法。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)在顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用顎式破碎機(jī)的破碎機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下兩種：1)顎式破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及優(yōu)化對(duì)顎式破碎機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，以排料口處動(dòng)顎特性值最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立其優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。采用各種優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使破碎機(jī)構(gòu)的性能得到顯著改善[9-12]。2006年黃冬明[13-15]等運(yùn)用Adams/View軟件對(duì)已有型號(hào)的顎式破碎機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。2)顎式破碎機(jī)的腔形設(shè)計(jì)近年來，腔形設(shè)計(jì)已逐漸被重視，發(fā)表了一些論文，涉及到腔形設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)的圖解法、分折法以及最優(yōu)腔形設(shè)計(jì)等。某些設(shè)計(jì)思想與原理具有工程應(yīng)用價(jià)值有的已在實(shí)踐中嘗試[16-17]。由上可知，對(duì)顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作機(jī)理研究相當(dāng)多，也已經(jīng)十分成熟，但顎式破碎機(jī)的變型設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少，優(yōu)化設(shè)計(jì)在顎式破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)優(yōu)化理論十分成熟，但基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的顎式破碎機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究十分少，以上提及的優(yōu)化設(shè)計(jì)都是對(duì)已有型號(hào)的顎式破碎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，并未見優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于顎式破碎機(jī)變型設(shè)計(jì)，故本課題有其研究的意義。二、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題1、課題來源：駱肇蕘基金2、研究?jī)?nèi)容（1）顎式破碎機(jī)性能研究通過理論分析，研究顎式破碎機(jī)的性能，破碎機(jī)主要考慮的是處理能力與能耗兩大性能，兩者可由破碎機(jī)特征值即排料口行程比體現(xiàn)，排料口水平行程越大，其處理能力越大，垂直行程越大，能耗越大，故兩者的行程比可以體現(xiàn)其性能。但特征值最佳值是個(gè)模糊的經(jīng)驗(yàn)值，故本課題將研究其值為何時(shí)最好，并將以最優(yōu)值作為優(yōu)化目標(biāo)。（2）顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究通過仿真試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響程度，即靈敏度分析。選擇影響大的參數(shù)作為優(yōu)化變量。通過比較、擬合數(shù)據(jù)，確定影響程度小的參數(shù)的計(jì)算公式。通過仿真正交試驗(yàn)、蒙德拉法等試驗(yàn)安排法安排試驗(yàn)，確定優(yōu)化參數(shù)的取值范圍及優(yōu)化初始值。（3）優(yōu)化算法的對(duì)比選擇對(duì)不同的優(yōu)化算法進(jìn)行比較分析，選擇最合適的優(yōu)化算法，節(jié)約優(yōu)化時(shí)間，保證優(yōu)化精度，得到理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值，使顎式破碎機(jī)得到較高的處理能力和較低的能耗。（4）虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型方法研究針對(duì)虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型方法的缺點(diǎn)，提出一種新的方便、計(jì)算量少，能直接體現(xiàn)參數(shù)的建模方法。用此種方法建立顎式破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，方便進(jìn)行后續(xù)的靈敏度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。（5）顎式破碎機(jī)變型優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)將運(yùn)用Adams自帶的命令流語句開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，鑒于Adams無法直接將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，故利用編寫程序?qū)?shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且利用自動(dòng)輸出優(yōu)化報(bào)告。3、擬解決的關(guān)鍵問題（1）破碎機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)間的影響關(guān)系及對(duì)特征值的影響規(guī)律破碎機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)間的影響關(guān)系復(fù)雜，對(duì)特征值的影響復(fù)雜，故需要通過仿真實(shí)驗(yàn)尋找規(guī)律，從而確定參數(shù)的最佳優(yōu)化取值范圍及優(yōu)化初始值。（2）基于Admas/View的參數(shù)化建模Adams/view參數(shù)化建模原有方法較為繁瑣且不能直接體現(xiàn)參數(shù)，故其建模比較復(fù)雜，需要探索新的參數(shù)化建模方法。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)理論在虛擬環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)今已有多種優(yōu)化算法理論，需比較其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最適合顎式破碎機(jī)變型設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法，并將其在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。三、研究基礎(chǔ)1、學(xué)科點(diǎn)前期研究工作積累（1）通過查閱搜集大量相關(guān)文獻(xiàn)、書籍資料，對(duì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了相當(dāng)了解。（2）有合作企業(yè)派遣具有幾十年顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行指導(dǎo)，提供的具體參數(shù)值和實(shí)踐結(jié)果，可作為分析驗(yàn)證的根據(jù)。（3）指導(dǎo)教師從事CAD\CAE\CAM方向研究，同時(shí)有對(duì)機(jī)械軟件二次開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)仿真分析、自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)等方面給予指導(dǎo)。（4）本人在本科階段就涉及虛擬樣機(jī)技術(shù)，本科畢業(yè)論文題目為波浪能發(fā)電裝置的仿真分析，掌握一定的虛擬樣機(jī)技術(shù)。2、已具備的實(shí)驗(yàn)條件具有Adams/View、VB.net等所需軟件。3、尚缺少的實(shí)驗(yàn)條件和擬解決的途徑無四、實(shí)施方案1、擬采取的研究方法通過理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)、正交實(shí)驗(yàn)等方法研究各參數(shù)對(duì)性能的影響、確定各參數(shù)的合理取值范圍，確定各參數(shù)優(yōu)化初始值。比較優(yōu)化設(shè)計(jì)的多種方法，選擇最適合的方法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。用理論分析、需求調(diào)研和系統(tǒng)開發(fā)相結(jié)合的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)。2、技術(shù)路線（1）對(duì)研究對(duì)象顎式破碎機(jī)進(jìn)行研究，了解其破碎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，了解其性能指標(biāo)，了解其結(jié)構(gòu)參數(shù)及參數(shù)的計(jì)算公式。（2）建立破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，選擇合適的簡(jiǎn)化模型方法對(duì)破碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams/View中建立三維模型，添加運(yùn)動(dòng)關(guān)系、驅(qū)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)條件，采用合理的模型參數(shù)化方法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)化。（3）采用理論研究方法對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行研究，確定合適的性能值，確定優(yōu)化目標(biāo)，用正交試驗(yàn)等試驗(yàn)方法安排試驗(yàn)，在Adams/View中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，研究參數(shù)間的影響關(guān)系、對(duì)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，確定需要優(yōu)化的參數(shù)及其取值范圍和優(yōu)化初始值，理論分析優(yōu)化約束條件，比較優(yōu)化算法，選擇合適的優(yōu)化算法，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。（4）建立自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變型機(jī)型的尺寸計(jì)算、自動(dòng)化優(yōu)化、參數(shù)修改、仿真分析、報(bào)告輸出等功能。技術(shù)路線框圖如下圖所示：圖1技術(shù)路線線框圖五、可行性分析和預(yù)期目標(biāo)1、可行性分析（1）顎式破碎機(jī)理論成熟對(duì)顎式破碎機(jī)的研究已經(jīng)有多年，研究者對(duì)其破碎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)描述清晰，其結(jié)構(gòu)參數(shù)明確。已有多人就部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響展開研究，得出影響規(guī)律。（2）企業(yè)支持另外，本課題得到了企業(yè)的幫助，能給予技術(shù)指導(dǎo)，提供實(shí)際已有型號(hào)的參數(shù)值，給本課題找出參數(shù)計(jì)算公式、系統(tǒng)驗(yàn)證提供了資料和依據(jù)。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、虛擬樣機(jī)技術(shù)成熟優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、虛擬樣機(jī)技術(shù)也已相當(dāng)成熟，已應(yīng)用到多種對(duì)象的研究中。已有少數(shù)學(xué)者將其應(yīng)用到顎式破碎機(jī)的優(yōu)化、仿真分析中。這些案例將對(duì)本課題應(yīng)用優(yōu)化理論、虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到顎式破碎機(jī)變型設(shè)計(jì)中提供借鑒對(duì)象。（4）開發(fā)語言體系成熟系統(tǒng)開發(fā)語言體系已成熟，可以滿足顎式破碎機(jī)變型優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的需求。以上可保證課題的順利實(shí)現(xiàn)。2、預(yù)期目標(biāo)（1）顎式破碎機(jī)變型優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的完成設(shè)計(jì)研發(fā)顎式破碎機(jī)變型優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，由計(jì)算機(jī)計(jì)算各結(jié)構(gòu)參數(shù)值，自動(dòng)建立顎式破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，并且自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將之輸出保存，并且輸出完整的顎式破碎機(jī)破碎機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析報(bào)告。另外該系統(tǒng)還具備修改優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)的功能，如果優(yōu)化出來的結(jié)果不滿意，可以進(jìn)行人為修改，再次運(yùn)行分析，多次修改后，可對(duì)多組仿真結(jié)果進(jìn)行比較，選擇最理想的結(jié)果進(jìn)行保存，輸出完整的分析報(bào)告。（2）系統(tǒng)的驗(yàn)證報(bào)告完成系統(tǒng)與實(shí)際參數(shù)的比較分析報(bào)告，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。（3）論文發(fā)表在SCI、EI、ISTP、CSCD或CSSCI收錄期刊發(fā)表（或錄用）至少1篇與課題相關(guān)的研究論文。六、主要參考文獻(xiàn)[1]高瀾慶,王文霞等.破碎機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].冶金設(shè)備.2001,4:13-16[2]孫成林，破碎機(jī)的新發(fā)展(待續(xù))[J]硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2001,3:34-4郎寶賢,顎式破碎機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦山機(jī)械.2004,32(1):9-10[3]郎寶賢,郎世平.國(guó)內(nèi)外破碎機(jī)的差距與發(fā)展趨勢(shì)[J].礦山機(jī)械.2004,32(9):71-74[4]王萬勇,國(guó)外輥碎機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展[J].礦山機(jī)械.1990,6:14-16[5]李本仁,反擊式破碎機(jī)的發(fā)展[J].礦山機(jī)械.2001,10:6-8[6]郎寶賢,圓錐破碎機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].礦山機(jī)械.2001,29,1:21-22[7]郎寶賢,顎式破碎機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦山機(jī)械.2004,32(1):9-10[8]江濤,謝旭紅等.動(dòng)顎有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械.2007,28(2):11-13[9]黎新,王國(guó)彪.復(fù)擺顎式破碎機(jī)的遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]建筑機(jī)械.2006,6:55-58[10]楊元鳳,馮穎等.復(fù)擺型細(xì)碎顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào).2006,18,(4):19-22[11]鮑金,常喜德.基于MATLAB的PEF-0609復(fù)擺顎式破碎機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.2010,1:88-90[12]張國(guó)旺,復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]有色金屬.1991,3:37-39[13]陳紅江,吳陸恒等.ADAMS在顎式破碎機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化2005,11:40-43[14]楊文,鄒莉娟,黃冬明.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的顎式破碎機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.2006,34,4:22-24[15]陳紅江,鄒莉娟,黃冬明.顎式破碎機(jī)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制[J].礦山機(jī)械.2006,34,1:62-64[16]張耀明.復(fù)擺顎式破碎機(jī)嚙角的動(dòng)態(tài)分析及設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械.1991,8:14-16[17]廖漢元.現(xiàn)代顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)與展望[J].武漢鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào).1993,16,1:46-53[18]郎寶賢,郎世平著.顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)與檢修[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社199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