三明治复合板材的虚拟制造学士学位论文.doc
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1、 沈阳理工大学学士学位论文 学士学位论文三明治复合板材的虚拟制造摘 要因响应节能、环保的现代交通工具的设计要求,金属三明治结构件被广泛推广使用。三明治薄板在焊接成型过程中,板与板之间的连接可以采用多种形式,不同的接头形式会改变实际工程中的成本工作时间从而影响了其应用范围及质量,因此设计出合理的接头形式显得十分重要。本课题旨在选择三明治结构接头其中一种形式,然后采用绘图软件UG进行虚拟制造、并制作拼接方案。应用虚拟制造可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解,有利于对其进行理论升华,更好地指导实际生产。在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中,可以全面改进企业的组织管理工作,而且对正确作出决
2、策有不可估量的影响,及时发现问题并改进现实制造过程。虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。关键字:金属三明治板材;焊接接头;UGIIAbstractIn response to the design requirements of energy-saving, environmental protection, modern means of transport, metal sandwich structure is used widely. Welded joint is a basic ingredient of a sandwich structure.The connectio
3、n between plates can be used in a variety of forms, different joint forms will change in the actual project cost work time which affects its application scope and quality, so to design a reasonable joint form is very important.The research will choose one of the sandwich structure joint forms, Then
4、using graphics software UG virtual manufacturing and produced splicing program. .Virtual manufacturing process can deepen the understanding of the production and manufacturing systems knowledge and understanding, To be conducive to its theory of sublimation, to better guide the actual production. In
5、 the process of mutual influence and role of virtual manufacturing and fabrication of reality, you can improve overall business organization and management, and has an immeasurable impact on the right to make decisions, to identify problems and to improve the reality of the manufacturing process. Vi
6、rtual manufacturing technology will accelerate the training speed of business professionals.Key words: Metal sandwich board;Welding joint;UGII目录1 绪 论11.1 三明治复合板材的发展1 1.2 虚拟制造技术21.2.1 概述31.2.2 虚拟制造技术的发展现状31.2.3 虚拟制造的特点与作用41.2.4 虚拟制造的主要研究内容51.2.5 虚拟制造的应用51.3 UG软件的介绍61.3.1 概述61.3.2 功能介绍61.3.3 主要模块介绍71.
7、4 UG安装方法91.5 UG安装问题及注意事项101.6 本课题研究方案112 三明治薄板结构尺寸122.1 三明治结构尺寸12 2.2 “I”型部分替代三明治结构尺寸133 三明治结构钢接头143.1 焊接接头的选用143.2 焊接接头的尺寸144 三明治薄板的虚拟制造154.1 三明治板材的三维图制造154.2 三明治板材单元板的模型建立18 4.3 装配及制作过程185三明治板材的拼接方案215.1 制定拼接方案215.2 实际问题236结论25致 谢26参考文献27附 录28IV1 绪 论1.1 三明治复合板材的发展随着社会的发展,火车、汽车、飞机、船舶等现代交通工具日益普及,给人们
8、生活带来极大便利,但对于交通工业来说,能源、环保及安全是其面临的三大课题。因此,减轻交通工具自重以降低能耗,减少环境污染,节约有限资源成为关注焦点,以汽车为例,研究表明,汽车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%-8%1。因此,交通装备轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分积极的意义。相对于一般传统的纯钢板、铝板等面板材料,三明治结构,如图1.1所示。具有比强度高、抗冲击性能好、防腐、隔热、隔声和防辐射等优良性能,三明治材料的板材也具有减轻重量,减少占据空间,降低噪音和振动,增强防火安全性和热绝缘性,大大改善防撞击性,通过精确的预制降低制造成本,便于快速组装,通过板和接头的模块
9、制造可灵活的应用等优点,因此,三明治的普及和使用能大大降低材料的消耗及构件的重量,从而降低产品成本,提高经济效益2目前已经应用到航天、汽车、家电等领域。如汽车油底壳的应用、洗衣机电机罩、摩托车发动机罩等。随着三明治板的应用范围不断扩大,其焊接日益引起人们的关注。三明治结构具有比强度高、抗冲击性能好、防腐、隔热、隔声和防辐射等优良性能,在船舶结构制造中有着广阔的应用前景。I型三明治结构因其横向和纵向都具有较佳的比刚度,且容易制造,所以更适用于船舶结构。能够使船舶舱壁具有更高强度,更加节省材料等优点2。图1.1 金属三明治结构正是由于三明治板在力学性能和节约材料上的优势,三明治板焊接接头在焊接机构
10、中的应用也是十分的广泛的,如船舶、汽车等领域。相对于其他的工业领域而言,三明治薄板在船舶工业多采用薄板材料,因此薄板要依靠自身的固有刚度来抵抗由于焊接局部加热引起的收缩力,进而产生残余应力和应变。常见的焊接变形有: 横向变形、纵向变形、收缩变形,角变形,弯曲变形和波浪变形,其中波浪变形最难修正。而这种焊接应力和应变破坏了薄壁焊接构件的几何完整性和尺寸精度,这一特点影响着用薄板设计部件,也限制传统熔焊方法的使用。随着科技发展,焊接技术不断创新提高。然而,焊接本身是一复杂的物理化学过程,涉及了电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论和试验的方法,很难准确的解决生产实际问题,只能做定性
11、的分析。但随着计算机软硬件技术的发展引发的虚拟制造技术的热潮,又给我们提供了新的分析方法“虚拟制造技术”。借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产,增强决策与控制水平,有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改,达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化3。1.2 虚拟制造技术随着计算机技术的迅猛发展,虚拟现实环境的完善,虚拟制造已能对加工制造过程进行虚拟仿真。虚拟制造技术主要给人提供视觉、听觉信息,达到“所见即所得”
12、的效果。也就是说在计算机上看到的3D图形、制造过程将分别是现实制造出的实物、现实的制造过程3。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现,即采用计算机仿真与虚拟现实技术,在计算机上群组协同工作,实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验,以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式,对相关行业也将产生巨大影响,可以说虚拟制造技术决定着企业的未来,也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。1.2.1 概述在当今经济全球化、贸易自由化和社会信息化的形势下,制造业的经营战略发生了很大变化,在3060
13、年代企业追求的是规模效益,如:美国福特汽车公司、通用汽车公司相继采用刚性流水线进行大批量生产;70年代更加重视降低生产成本,如:日本丰田公司采用准时化生产;80年代提高产品质量成为主要目标;20实际90年代中期有许多新概念、新观点应运而生,虚拟制造就是其中之一,它代表了一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中,铲平开发是基于数字化的虚拟产品开发方式,以用户的需求为第一驱动,并将用户需求转化为最终产品的各种功能特征。保证了产品开发的效率和质量,提高了企业的快速响应和市场开拓能力。一般来说,虚拟制造的研究都与特定的应用环境和对象相联系,由于应用的不同要求而存在不同的侧重点,因此出现了三个流派,即以设
14、计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造4。1.2.2虚拟制造技术的发展现状虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用,美国处于国际研究的前沿。1983年美国国家标准局提出了“虚拟制造单元”的报告;1993年爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”中提出了建立支持虚拟制造的环境;1995年美国标准与技术研究所的报告“国家先进制造实验台的概念设计计划”,强调了分散的、多节点的分散虚拟制造(DVM),即虚拟企业的概念。美国已经从虚拟制造的环境和虚拟现实技术、信息系统、仿真和控制、虚拟企业等方面进行了系统的研究和开发,多数单元技术已经进入实验和完
15、善的阶段。我国在虚拟制造技术方面的研究只是刚刚起步,其研究也多数是在原先的CADCAECAM和仿真技术等基础上进行的,目前主要集中在虚拟制造技术的理论研究和实施技术准备阶段,系统的研究尚处于国外虚拟制造技术的消化和与国内环境的结合上。 当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情的产品三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究生成可信度高的虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。我国在虚拟现实技术、建模技术、仿真技术、信息技术、应用网络技术等单元技术等方面的研究都很活跃,但研究的进展和研究的深度还属于初期阶段与国际的研究水平尚有很大的差距,多
16、集中于高等院校和少量的研究院所,没有形成产业化.5。1.2.3 虚拟制造的特点与作用虚拟制造是集计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工艺设计(CAPP)于一体的技术,它是在计算机中完成制造过程的。正因为如此,虚拟制造具有下述主要特点。 虚拟制造的制造模型是一个计算机模型,完成这一制造过程的主要工作集中在模型的建立过程上,一旦这个模型建立完成,就可以不断与之进行交互,模拟各种情况的生产和制造过程。模型的可反复修改性是虚拟制造过程有别于实际制造过程的一个最主要的特点,也正是这一特点使得虚拟制造可以根据不同情况快速的更改设计、工艺和生产过程,从而大幅度压缩新产品的开发时间,
17、提高制造质量,降低成本。 虚拟制造的另一个特点是它可以是分布式的,完成虚拟制造的人员和设备在空间上可以是相互分离的,不同地点的技术人员可以通过网络来协同完成同一个虚拟制造过程。 此外,虚拟制造还可以是一个并行的过程,产品设计、加工过程和装配过程的仿真可以同时进行,大大加快了产品设计过程,减少新产品的试制时间。虚拟制造也可以对想象中的制造活动进行仿真,它不消耗现实资源和能量,所进行的过程是虚拟过程,所生产的产品也是虚拟的。虚拟制造技术的应用将会对未来制造业的发展产生深远影响,它的重大作用主要表现为:1、运用软件对制造系统中的五大要素(人、组织管理、物流、信息流、能量流)进行模拟驾驶室全面仿真,使
18、之达到了前所未有的高度集成,为先进制造技术的进一步发展提供了更广大的空间,同时也推动了相关技术的不断发展和进步。2、可加深人们对生产过程和制造系统的认识和理解,有利于对其进行理论升华,更好地指导实际生产,即对生产过程、制造系统整体进行优化配置,推动生产力的巨大跃升。3、在虚拟制造与现实制造的相互影响和作用过程中,可以全面改进企业的组织管理工作,而且对正确作出决策有不可估量的影响。例如:可以对生产计划、交货期、生产产量等作出预测,及时发现问题并改进现实制造过程。4、虚拟制造技术的应用将加快企业人才的培养速度。我们都知道模拟驾驶室对驾驶员、飞行员的培养起到了良好作用,虚拟制造也会产生类似的作用。例
19、如:可以对生产人员进行操作训练、异常工艺的应急处理等4。1.2.4 虚拟制造的主要研究内容虚拟制造技术的研究内容是极为广泛的4,除了虚拟现实技术涉及的共同性技术外,虚拟制造领域本身的主要研究内容有:1、虚拟制造的理论体系;2、设计信息和生产过程的三维可视化;3、虚拟制造系统的开放式体系结构;4、虚拟产品的装配仿真;5、虚拟环境中及虚拟制造过程中的人机协同作业等。1.2.5 虚拟制造的应用虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间。波
20、音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机。它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。在我国,清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教学单位也已经开展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟制造应用的重点研究方向是基于我国国情,进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有高科技含量要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领域,随着研究的不断深入和相关技术的发展,虚拟制造必将得到日益广泛的应用。企业要实现
21、虚拟制造,应分阶段逐步进行,而不能随意超越。 首先,要建立企业网和工程数据库,初步实现CAD、CAPP、CAM功能;第二,进行信息集成,推行PDM技术、特征建模技术,形成CAD、CAPP、CAM的集成系统;第三,在设计、工艺、制造部门建立统一的产品模型,初步实现并行工程,进一步将MIS、MRPII与CAD/CAM系统进行集成,实现整个企业内部的信息集成,全面实现并行工程;第四,在上述工作的基础上,对企业内的生产、经营等多方面的活动进行建模、仿真,实现虚拟制造5。1.3 UG软件的介绍UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案,它
22、为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案。UG同时也是用户指南(user guide)和普遍语法(Universal Grammer)的缩写。UG的开发始于1969年,它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用再利用。UG的目标是用最新的数学技术,即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算,为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用
23、的软件基础。1.3.1 概述UG是Unigraphics的缩写,这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统,它功能强大,可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站,但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长,在PC上的应用取得了迅猛的增长,已经成为模具行业三维设计的一个主流应用6。1.3.2 功能介绍作为一个主流的应用,自然拥有强大的功能6,其分为: 1、工业设计NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用 NX建模,工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状, 并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概
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