仿生构形刀具省力机理的研究
发布时间：2021-10-16 19:10
现代机械加工行业的飞速发展离不开金属切削,而金属切削过程中会消耗大量能源,如何提高切削效率节省能耗成为当前研究热点。仿生学研究表明,许多动物的爪趾及牙齿的构形具有优良的力学性能及省力效果,这为刀具的优化设计提供了依据。河狸长着一对不断生长的凿型门齿,其中大门齿大而锋利,并且门齿前面的釉质极其硬实,方便捕食撕咬,其中齿冠面向口腔内的表面部分可类比于刀具的“前刀面”,面向外部环境的表面部分类比于刀具的“后刀面”,对捕食、啃咬树木等行为起着关键的作用。本文首先搭建了三维扫描系统对河狸牙齿表面扫描,采集牙齿表面的点云数据,再根据逆向工程的思想,对获取的数据进行精简处理,通过曲线生成、曲面重构等操作来获取河狸门牙的三维曲面模型。再利用MATLAB软件强大的图像处理功能和计算功能提取模型“前刀面”的轮廓曲线并拟合成合适的仿生对象曲线模型。该曲线模型将作为仿生构形刀具参数的仿生依据。以提取的仿生曲线模型为基础,设计出一种前刀面为曲线的仿生构形刀具,通过有限元软件建立其模型,并进行了有限元仿真。同时与传统平面形刀具仿真结果进行了对比,从应力、切削力、压力、切削温度等几个方面进行分析,可得到仿生构形刀具...
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究的意义
1.2 仿生学
1.3 仿生学的发展状况
1.4 刀具及仿生刀具的发展状况
1.5 本文研究的主要内容
第二章 前刀面仿生构形建模
2.1 河狸牙齿几何参数特征的仿生
2.1.1 河狸的简单介绍
2.1.2 动物牙齿几何形态的仿生
2.2 河狸门牙点云数据的采集
2.2.1 测量设备
2.2.2 测量机理
2.2.3 采集点云数据
2.3 河狸牙齿数据处理
2.3.1 Imageware软件基本概述
2.3.2 点云处理
2.3.3 Bezier曲线曲面的数学模型
2.3.4 B曲线曲面的数学模型
2.3.5 NURBS曲线曲面的数学模型
2.3.6 曲线构造
2.3.7 曲面重构
2.4 轮廓线提取
2.4.1 MATLAB软件的基本介绍
2.4.2 提取轮廓线
2.5 前刀面曲线建模
2.6 本章小结
第三章 仿生构形刀具切削过程有限元仿真
3.1 ABAQUS有限元软件简介及其相关理论
3.1.1 ABAQUS软件的分析步骤
3.1.2 ABAQUS/Explicit显示算法
3.2 切削模型的创建过程
3.2.1 几何模型的建立
3.2.2 切削模型网格划分
3.2.3 材料模型的建立
3.2.4 材料的断裂准则
3.2.5 材料失效准则
3.2.6 切削分离标准
3.2.7 模型装配
3.2.8 模型边界条件设定
3.2.9 接触定义
3.2.10 提交计算
3.3 本章小结
第四章 仿生构形刀具仿真结果分析与实验验证
4.1 仿真结果分析
4.1.1 切削力影响因素
4.1.2 切削力分析
4.1.3 主应力分析
4.1.4 压力分析
4.2 车削对比实验
4.3 本章小结
第五章 仿生构形刀具省力机理
5.1 剪切面形变量
5.2 减小刀具与切屑间挤压力
5.3 减小刀具与切屑间接触长度
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录A 图索引
附录B 表索引
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究[J]. 张琰,黄河,任露泉. 农业机械学报. 2013(01)
[2]生物摩擦学与仿生摩擦学的研究现状及展望[J]. 解芳,张林先,刘佐民. 南阳理工学院学报. 2012(02)
[3]基于Imageware的河狸牙齿的逆向造型[J]. 孙源,谢峰. 工具技术. 2011(11)
[4]微织构刀具正交切削Ti6Al4V的试验研究[J]. 戚宝运,李亮,何宁,赵威,王震. 摩擦学学报. 2011(04)
[5]仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析[J]. 王传留,孙友宏,刘宝昌,王银霞. 中南大学学报(自然科学版). 2011(05)
[6]基于ABAQUS的高速切削切屑形成过程的有限元模拟[J]. 蔡玉俊,段春争,李园园,王敏杰. 机械强度. 2009(04)
[7]土壤耕作部件仿生优化设计研究[J]. 郭志军,周志立,张毅,李忠利. 中国科学（E辑:技术科学）. 2009(04)
[8]现代刀具创新的特点[J]. 赵炳桢. 工具技术. 2008(10)
[9]基于仿生学的刀具研究初探[J]. 庆振华,谢峰,张崇高,杨海东,周之江. 工具技术. 2008(09)
[10]中国的河狸资源考察[J]. 赵景辉,赵伟刚,陈玉山,张洪英. 特产研究. 2005(03)
博士论文
[1]基于螳螂前足结构特征的仿生切茬刀片设计[D]. 李默.吉林大学 2013
[2]孕镶金刚石仿生钻头的研究[D]. 高科.吉林大学 2006
[3]凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究[D]. 杨卓娟.吉林大学 2006
[4]内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究[D]. 邓宝清.吉林大学 2004
硕士论文
[1]基于穿山甲鳞片型织构特征的刀具减摩机制研究[D]. 邓默.安徽大学 2016
[2]具有微织构摩擦表面的燃气轮机榫槽拉刀减阻效应的研究[D]. 王秀英.安徽大学 2014
[3]獾牙齿特性及其仿生应用[D]. 林福东.吉林大学 2014
[4]基于仿生微织构的刀具减摩性能研究[D]. 邵世超.合肥工业大学 2013
[5]河狸牙齿的三维建模与力学性能分析[D]. 孙源.合肥工业大学 2012
[6]基于仿生学的刀具几何参数研究[D]. 刘国林.合肥工业大学 2010
本文编号：3440348
【文章来源】：安徽大学安徽省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究的意义
1.2 仿生学
1.3 仿生学的发展状况
1.4 刀具及仿生刀具的发展状况
1.5 本文研究的主要内容
第二章 前刀面仿生构形建模
2.1 河狸牙齿几何参数特征的仿生
2.1.1 河狸的简单介绍
2.1.2 动物牙齿几何形态的仿生
2.2 河狸门牙点云数据的采集
2.2.1 测量设备
2.2.2 测量机理
2.2.3 采集点云数据
2.3 河狸牙齿数据处理
2.3.1 Imageware软件基本概述
2.3.2 点云处理
2.3.3 Bezier曲线曲面的数学模型
2.3.4 B曲线曲面的数学模型
2.3.5 NURBS曲线曲面的数学模型
2.3.6 曲线构造
2.3.7 曲面重构
2.4 轮廓线提取
2.4.1 MATLAB软件的基本介绍
2.4.2 提取轮廓线
2.5 前刀面曲线建模
2.6 本章小结
第三章 仿生构形刀具切削过程有限元仿真
3.1 ABAQUS有限元软件简介及其相关理论
3.1.1 ABAQUS软件的分析步骤
3.1.2 ABAQUS/Explicit显示算法
3.2 切削模型的创建过程
3.2.1 几何模型的建立
3.2.2 切削模型网格划分
3.2.3 材料模型的建立
3.2.4 材料的断裂准则
3.2.5 材料失效准则
3.2.6 切削分离标准
3.2.7 模型装配
3.2.8 模型边界条件设定
3.2.9 接触定义
3.2.10 提交计算
3.3 本章小结
第四章 仿生构形刀具仿真结果分析与实验验证
4.1 仿真结果分析
4.1.1 切削力影响因素
4.1.2 切削力分析
4.1.3 主应力分析
4.1.4 压力分析
4.2 车削对比实验
4.3 本章小结
第五章 仿生构形刀具省力机理
5.1 剪切面形变量
5.2 减小刀具与切屑间挤压力
5.3 减小刀具与切屑间接触长度
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
附录A 图索引
附录B 表索引
致谢
攻读学位期间发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究[J]. 张琰,黄河,任露泉. 农业机械学报. 2013(01)
[2]生物摩擦学与仿生摩擦学的研究现状及展望[J]. 解芳,张林先,刘佐民. 南阳理工学院学报. 2012(02)
[3]基于Imageware的河狸牙齿的逆向造型[J]. 孙源,谢峰. 工具技术. 2011(11)
[4]微织构刀具正交切削Ti6Al4V的试验研究[J]. 戚宝运,李亮,何宁,赵威,王震. 摩擦学学报. 2011(04)
[5]仿生耦合孕镶金刚石钻头的试验及碎岩机理分析[J]. 王传留,孙友宏,刘宝昌,王银霞. 中南大学学报(自然科学版). 2011(05)
[6]基于ABAQUS的高速切削切屑形成过程的有限元模拟[J]. 蔡玉俊,段春争,李园园,王敏杰. 机械强度. 2009(04)
[7]土壤耕作部件仿生优化设计研究[J]. 郭志军,周志立,张毅,李忠利. 中国科学（E辑:技术科学）. 2009(04)
[8]现代刀具创新的特点[J]. 赵炳桢. 工具技术. 2008(10)
[9]基于仿生学的刀具研究初探[J]. 庆振华,谢峰,张崇高,杨海东,周之江. 工具技术. 2008(09)
[10]中国的河狸资源考察[J]. 赵景辉,赵伟刚,陈玉山,张洪英. 特产研究. 2005(03)
博士论文
[1]基于螳螂前足结构特征的仿生切茬刀片设计[D]. 李默.吉林大学 2013
[2]孕镶金刚石仿生钻头的研究[D]. 高科.吉林大学 2006
[3]凹坑形仿生非光滑轧辊耐磨性研究[D]. 杨卓娟.吉林大学 2006
[4]内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究[D]. 邓宝清.吉林大学 2004
硕士论文
[1]基于穿山甲鳞片型织构特征的刀具减摩机制研究[D]. 邓默.安徽大学 2016
[2]具有微织构摩擦表面的燃气轮机榫槽拉刀减阻效应的研究[D]. 王秀英.安徽大学 2014
[3]獾牙齿特性及其仿生应用[D]. 林福东.吉林大学 2014
[4]基于仿生微织构的刀具减摩性能研究[D]. 邵世超.合肥工业大学 2013
[5]河狸牙齿的三维建模与力学性能分析[D]. 孙源.合肥工业大学 2012
[6]基于仿生学的刀具几何参数研究[D]. 刘国林.合肥工业大学 2010
本文编号：3440348
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