1、 毕业设计 (论文 )开题报告 题 目： 基于实体模型的湿式混泥土喷射机 关键零件模态分析 学院 ： 机械工程 学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 谢军 学 号： 20020210213 指导 老 师： 傅彩明 2005 年 3 月 25 日 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应
2、及时交给指导教师签署意见。 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括 1 篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。 4统一用 A4 纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1 文献综述： 结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2500 字 以上 的文献综述 ，文后应列出 所查阅的文献资料 。 文 献 综 述 0 引言 引水隧洞施工不论是钻爆开挖，还是 TBM
3、 掘进，喷锚支护、压力灌浆、溶洞回填、 止水堵漏都是必不可少的 工作环节，工作量也相当繁重。要确保工程质量和施工工期， 应具有功能良好的回填施工设备。混凝土喷射机就是一种施工设备，它广泛应用于地 下工程，岩土工程，市政工程等领域，它利用压缩空气或其它动力，将一定比例配合 的拌和料通过管道输送并高速喷射到受喷面上凝结硬化，从而形成混凝土支护层，近 处来，喷射混凝土技术以其简便的工艺，独特的效应，经济的造价和广泛的用途，在 各种建筑领域内显示出旺盛的生命力 1。 目前，国内主要是以干式混凝土喷射机为主，施工作业粉尘浓度高、回弹量大、喷射混凝土强度不高，不适合于地下工程。为了 解决干式混凝土喷射机所
4、存在的问题，各种湿喷技术开始逐渐推行。所谓湿喷，其基本原理是将加水搅拌好的混凝土加入湿式喷射机，输送至喷嘴处，经掺加速凝剂后形成料束喷至施工面 2。 开发一台新型混凝土喷射机，如果采用传统的方法，周期长、成本高，但如果采用虚拟样机技术，它 可以代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量。 对 湿式混凝土喷射机 进行模态仿真分析， 可以识别出机体的模态参数（如固有频率 、 固有振型、模态质量、刚度和阻尼等模态参数）进而了解机体的动态特性 ， 有助于分析各零部 件及整机的振动和噪声特性，建立起结构的动态模型，使人们比较直观地了解零件各阶模态的频率及其振
5、动的规律（振型），并从中找出产品结构刚度薄弱环节及其结构的不合理之处，从而为其结构的动态特性改进提供可靠理论参考，为实验模态提供理论依据，同时利用分析结果还可以对有限元模型进行修正 ， 为机体的其它设计改进提供可靠的参考 3， 4。 1 虚拟样机技术概念及特点 所谓虚拟样机技术是一种基于产品计算机模型的数字化设计方法，这种技术以计算机仿真和建模技术为支撑，融合了智能化设计技术、并行工程、仿真工程和网络技术等多种先进的 制造技术，其最终目标是实现在产品加工前对产品的性能、可制造性 等进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品的最优化。 虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是国际上 2
6、0 世纪 80 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（ CAE）技术，工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机试验。运用虚拟样机技术， 可以在产品实际加工之前就能够对其性能、特征和可制造性等进行评价，同时可以对制造和使用的全过程进行仿真分析，将制造和使用过 程中可能发生的总是提前到设计阶段处理，以达到产品生产的最优目标 5， 6， 7。 在基于虚拟样机技术的现代产品设计中，被广泛应用的是面向实体的模型，即三维模型或实体模型。 利用虚拟样机技术，可以使得产品的仿真结果能够以可视化的、可以运动的图像方式显示
7、。一个实时的图像动态仿真是使用者可以交互进行干涉仿真分析、系统运动分析和动力学分析的前提条件 8。 与物理样机相比较，它能在产品设计的最初阶段就建立起来，能向设计者、制造者、使用者以及管理者提供一个能够看得见的设计结果。综合而言，虚拟样机技术主要发挥如下重要作用 ： （ 1）在一些特殊情况下，可以满足全部物理样的需求，从而缩短设计周期，节省开发费用，在实际制造之前设计工程师可以通过虚拟样机方便地修改设计参数甚至整个设计方案。 （ 2）对于项目管理者来说，虚拟样机在评估管理项目的风险方面是一个相当有价值的工具。 （ 3）对产品设计生产中的各个阶段，虚拟样机能够主动地影响产品的技术支持和保障。 （
8、 4）通过提供在设计过程中各个必需阶段进行的测试数据，虚拟样机能够为测试者提供未来产品有意义的性能、功能和特点等方面的仿真评价。 （ 5）可以非常方便地实现与其它软件的协同工作，从而提高 产品设计与研制的速度和效率，提高产品开发的可靠性 9。 2 自由模态分析基本理论 结构的自由模态分析是结构动力分析的基础。自由模态分析的基本有限元方程为： 0 uKuM (2.1) 式中 M 和 K 分别为结构系统的质量矩阵和刚度矩阵； u 为位移向量 u 为加速度向量 方程 (2.1) 的解为如下的简谐运动： tu sin (2.2) 式中 为模态形状， 为圆频率。 将方程 (2.1) 代入方程 (2.1)
9、，得到如下的特征值方程： MK 2 =0 (2.3) 上式中 要有非零解，必须满足其系数矩阵的行列式为零的条件，即 0d et 2 MK (2.4) 或 0de t MK (2.5) 式中 2 方程 (2.5) 左边为 的多项式，求解多 项式可得一组特征值 i 。方程 (2.4) 可改写为： 0 ii MK i =1,2,3, ,N (2.6) N 为刚度矩阵 K 的维数， 也是该结构系统的自由度数。 i 是第 i个特征值， i是 i 对应的第 i 个模态向量。 在通常的有限元分析中，矩阵 K和 M为实的对称矩阵，它们满足正交性，即 式中 im 称之为广义质理， iK 称之为广义刚度。 模态分
10、析是典型的特征值问题。求解特征值方程，可得多阶振动固有频率和相应的模态向量 10， 11。 3 国内外湿式混凝土喷射机的发展 在国外，瑞士阿利瓦（ ALIVA）公司于 1992 年研制出干式转子式混凝土喷射机。1947 年，联邦德国 BSM 公司研制成双罐式干式混凝土喷 射机。以后，英国，前苏联，日本等相继研制出各种干式混凝土喷射机。 1 我国从 60 年代开始着手研制混凝土喷射设备。先后研制出冶建 -65（冶金工业部 ji jimM ijTi 当 当,0 , ji jikM ijTi 当 当,0 ,建筑研究院）， PH30-74 型， HLP-701 型等各种干工混凝土喷射机。 干式混凝土喷
11、射机的主要优点是输送距离长，设备简单，耐用。但由于干式喷射机施工粉尘，回弹大，作业时产生的粉尘危害工人健康，从 60 年代起，西方发达国家开始研制湿喷机，我国从 70 年代开始研制湿喷机， 80 年代形成高潮，主要根据国外技术或引进样机进行仿制。先后研制了罐式、挤压泵式、活塞式、螺杆式、螺旋 式湿喷机。根据湿式混凝土喷射机的工作原理，可分为泵送型及气动型两大类。 90 年代中期，我国根据本国国情自主开发了转子活塞式湿喷机。目前，主要国产湿式混凝土喷射机有： SPZ-6 型湿式喷射机（设备投资少，生产率高，重量轻，机动性好）、 TK-961 型湿式混凝土喷射机（无余气排放，送料连续性好）、叶轮式
12、湿式混凝土喷射机（工作可靠，使用寿命长，适应骨料粒径范围大） 12,13。 4 湿式混凝土喷射机的特点 研究湿式混凝土喷射机主要是由于它有如下优点： （ 1） 大大降低了机旁和喷嘴外的粉尘浓度，消除了对工人健康的危害； （ 2） 生产率高。干式混凝土喷射机一般不超过 5 hm/3 。而使用湿式混凝土喷射机，人工作业时可达 10 hm/3 ；采用机械手作业时，则可达 20 hm/3 ； （ 3） 回弹度低。干喷时，混凝土回弹度可达 15%-50%。采用湿喷技术。回弹率可降低到 10%以下； （ 4） 湿喷时，由于水灰比易于控制，混凝土不化程度高，可大大改善喷射混凝土 的质量，提高混凝土的均匀性，
13、而干喷时，混凝土的水灰比是由喷射手根据经验及肉 眼观 查来进行调节的，混凝土的品质在很大程度上取决于机手操作正确与否 14。 在使用湿式混凝土喷射机的同时也存在着相应的问题 : （ 1） 湿式混凝土喷射机多采用液体速凝剂。进口及合资产品售价较高（达 6000 -8000 元 /t），而国产液体速凝剂尚无生产。相对应的干喷所粉状速凝剂售价低（ 1000多元 /t）。 （ 2） 湿式混凝土喷射机作业时，设备投资较为复杂，操作及维修不及干喷机方便。使用湿式混凝土喷射机作业时，设备投资较高 1。 5 湿式混凝土喷射机发展现状及展望 目前，在一些西方国家中，湿式混凝土喷射机已逐渐成为主 要的喷射混凝土作
14、业工具。而在我国由于种种原因，干喷机仍是主要的喷射作业设备，但随着人们环保意识的增强以及对喷射混凝土质量要求的提高，已有越来越多的湿式混凝土喷射机进入使用。在一些国际招标的大型水利工程中，如二滩水电站、三峡工程等，均采用混式混凝土喷射作业，但目前使用的各种湿式喷射机多是从国外引进的设备。近年来，国 内一些单位也开始研制出各种湿式混凝土喷射机，但生产规模尚有待于扩大。究其原 因主要有以下几点： （ 1） 对喷射混凝土在支护体系中的作用认识模糊； （ 2） 对湿喷的认识片面； （ 3） 用传统的干喷管理模式来进行湿喷； （ 4） 大量的民工队伍其管理水平低、工人素质差； （ 5） 湿喷技术本身的不
15、成熟、不配套； （ 6） 工人的劳动保护意思不强。 但随着以上问题的逐步解决，我国湿喷机研发将进入一个崭新的阶段，并将越来 越多地取代干式混凝土而成为喷射混凝土作业的主要机具 13。 6 结论 随着虚拟技术的不断发展，人们对于利用虚拟样机技术来研发新的产品的观念将更趋于成熟，它以设计周期短、费用低等优点将逐步取代传统的物理样机，而在市场 上占有重要地位。随着工程对于喷射要求的不断提高和人们对于环保意识的不断增强， 湿式混凝土喷射机将以它强大的优势成为回填设备 的主要器具。并将逐步取代传统的 干式、潮式混凝土喷射机。 模态分析技术是现代机械产品结构动态设计和动态分析的基础， 是一项对描述系统动力
16、学特性所需参数进行研究和估算的技术。 同时利用分析结果还可以对有限元模型进行修正 15。事实表明，振动特性分析在结构设计和评价中具有极其重要的位置。特别是随着现代工业的进步，许多产品朝着更大、更快、更轻和更安全可靠的方向发展，因此对动态特性的要求越来越高，振动分析愈显重要。而在本课题中对 混凝土喷射机 的关键零件进行模态仿真分析，对零件的结构提出了改进意见，并为其它设计改进提供了 可靠的理论依据 16。 参考文献 1 王小宝 .湿式混凝土 喷射机的类型及发展，北京：北京矿冶研究总院矿山机械研究室， 2003. 2 宋心鑫等 .TPS 型混式混凝土喷射机 .南昌通用机械有限责任公司 .2002,
17、6. 3 温熙森等 .机械系统动态分析理论与应用 M.长沙：国防科技大学出版社， 1998. 4 萧龙翔 .振动结构模态分析基础 M.天津：天津大学力学系， 1991. 5 傅彩明 .虚拟设计与制造技术 M.2004， 10. 6 王宏典等 .虚拟制造技术及其应用 J.机械 科学与技术， 1998， 17. 7 Iwata K A. Modeling and Simulation Architecture for Virtual Manufacturing SystemsJ.Annals of the CIPP,1995,44(1):399-402. 8 姜小菊等 .虚拟现实技术及其在制造中的
18、应用， CISM 文摘，北京： 1997. 9 赵雯 .虚拟样机三维表现系统设计与实现 J.小型微型计算机系统， 2001， 7. 10 Zhang L M， Kanda H， Brown D L， et al. A polyreference frequency domain method for modal parameters. ASME Paper， Number 85-Det-106. 11 陈焕星 .大型通 用有限元程序系统 MSC.NASTRAN 基础培训教程 M,1999,5. 12 罗朝廷 .我国喷射混凝土技术的发展 M.铁道部科学研究院 .2000. 13 李长江等 .国内
19、外湿喷机的发展现状 .山东科技大学机器人研究中心， 2003. 14 应宗华 .水利水电电工程湿喷 混凝土技术应用 .武警水电第五支队 .2002. 15 Ewins DJ. Testing: Theory and Practice.RSPLTD,1986. 16 曹树谦等 .振动结构模态分析 M.天津大学出版社， 2002， 6. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 开题报告：一、课题的目的与意义； 二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、 研究方法、步骤和措施 开 题 报 告 一、 课题的目的与意义 本课 题主要是研制一种适合湿喷工艺的高效混凝土喷射机，适合湿喷工艺、转
20、子 料杯、出料管、出料弯头不粘结堵塞，不需清理的喷射机。其主要技术性能达到国际先进水平。设计后的喷射机将达到以下要求： （ 1） 防尘效果好，采用湿式代替干；做到不扬尘，大大改善式人的劳动条件，提 高劳动生产率； （ 2） 改机械压紧装置为液压压紧，大大提高整机的使用性能和橡胶衬板的使用寿 命。为操作者带来极大的方便； （ 3） 修改出料管，使出料管不易粘料，具有自洁功能； （ 4） 减小回弹，大大提高混凝土强度。 通过设计后的湿式混凝土喷射机将是集 环保型、智 能化、自动化、 高工作性、高耐 久性 于一体的新高性能设备。 此课题主要是解决干式混凝土喷射机所存在的问题。通过 采用虚拟样机技术来
21、设计湿式混凝土喷射机 ，可以简化 湿式混凝土喷射机 设计，降低生产成本，缩短产品的开发周期。同时通过此课题的设计培养我们利用虚拟样机技术来设计新产品的能力。特别是三维建模、利用相关分析软件进行分析的能力。 再者，本课题研究采用了新的方法 计算机仿真技术来研究各零部件的固有频率和主要振型。与传统的实验模态方法相比，缩短了产品的开发时间，对项目的评估和产品的综合性能提供了参考。 二、 课题发展现 状和前景展望 喷射混凝土支护技术具有良好的综合技术经济特性，广泛应用于煤炭、冶金、铁路、军工、水电、以及建筑等领域的各种混凝土支护工程。早期，我国所用的基本为干式混凝土喷射机。近些年，由于干式混凝土喷射的
22、许多弊端以及湿式混凝土的诸多优越性，国内现已慢慢转向湿式混凝土的研制与开发，并成功应用于实践，在 1996 年就先后应用于城建大柳树工地、朝阳门地下热力管道等工地。但由于湿式混凝土喷射机的造价昂贵，目前仍未能普遍使用。但几年的实践经验表明湿喷机是适合于环保、对工人不产生副作用的喷机。符合人们倡导的绿色工程。因此 ，湿式混凝土喷射机在不久的将来一定取代干喷机、潮喷机而成为支护工程的中流砥柱。推广应用的前景广阔。 三、课题主要内容和要求 1、 课题主要内容 （ 1） 建立 混凝土喷射机 的三维仿真模型 。 混凝土喷射机 三维实体模型的建立，并进行干涉分析； 混凝土喷射机有限元仿真模型的建立 。 （
23、 2） 对混凝土喷射机关键零件自由模态仿真分析 。 （ 3） 根据仿真分析结果，对混凝土喷射机关键零件提出结构优化建议。 2、 课题主要要求 （ 1） 建立 混凝土喷射机 关键 零件 的三维模型。 （ 2） 对 混凝土喷射机 关键零件进行有限元模态仿真。 （ 3） 对关键零件有限元模态仿真结果进行可视化处理。 （ 4） 根据 模态 仿真和有限元仿真（借用本组其他同学的研究成果）结果， 对 混凝土喷射机 关键零件提出结构优化建议。 （ 5） 撰写毕业设计说明书，完成全部研究工作和毕业论文。 四 、 研究方法、步骤和措施 1、 查阅资料，翻译英文资料 查找设计所需的资料，资料的内容要有深度，要具有参考意义。 2、 熟练掌握设计所需的内容 复习以前所学设计有关的专业知识，并熟练的运用到设计中去。还要学习一些设计中所用到的其它方面的知识，如：模态理 论、有限元法（ FEM）、自由模态分析等。设计运用 PRO/E 软件 绘制 混凝土喷射机 所有零件的三维模型图，并通过 Pro/E 生成二维图形，经过 AUTOCAD 处理后形成正式二维工程图，并在仿真软件系统 visualNastran 中 完成 混凝土喷射机 关键零件的运动学、动力学、有限元分析和模态分析。 3、 设计内容 （ 1） 建立混凝土喷射机三维模型，并进行干涉分析；
