MP160型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计开题报告

广陵 学院毕业设计（论文）开题报告 学 生 姓 名： 刘惠斯 学号 :100007120 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： MP160 型 双主机大梁冲机身 结构 有限元分析及优化设计 指 导 老 师： 郑 翔 2012 年 3 月 20 日 2 毕业设计（论文）开题报告 1、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 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1 国内外液压机发展状况 压力机以其良好的加工工艺性能，广泛应用在各类机械加工和耐火材料制造企业 1。其中液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。自 19 世界问世以来发 展很快，已成为工业生产中必不可少的设备之一。由于液压机在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。如板材成型；管、线、型材挤压；粉末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、打包；人造金刚石、耐火砖压制和炭极压制成型；轮轴压装、校直等等。各类类型液压机的迅速发展，有力的促进了各种工业的发展和进步。液压机是利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械。油压机由主机及控制机构两大部分组成。油压机主机部分包括机身、液压缸及充液装置等。动力机构由油箱、高压泵、低压控制系统、电动机及各种压力阀和方向阀等组成 。动力机构在电气装置的控制下，通过泵和油缸及各种液压阀实现能量的转换，调节和输送，完成各种工艺动作的循环 2。 液压机作为一种通用的无屑成型加工设备，其工作特点一是动力传动为 “ 柔性 ” 传动，不像机械加工设备一样动力传动系统复杂，这种驱动原理避免了机器过载的情况；二是液压机的拉伸过程中只有单一的直线驱动力，没有 “ 成角的 ” 驱动力，这使加工系统有较长的生命期和高的工件成品率 3。液压机因具有结构简单、工艺适应性强、环境污染小等其他设备不可替代的性能特点，被广泛应用于汽车制造、航空航天、国防、电力电子、塑 料、机械、冶金和轻工等国民经济的各个领域。影响液压机质量的因素很多，其中液压机本体的设计水平起着重要的作用。液压机本体是液压机的重要组成部分，其重量约占整机重量的 60以上。液压机本体的设计水平，对液压机的制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响。我国液压机本体的设计水平还比较落后，研究关于液压机本体的设计方法，对提高我国液压机的整体设计水平、增强相关企业的生存和发展能力具有重要的现实意义。 世界上第一台水压机的发明标志着现代液压技术工程应用的开始 ,这是由英国科学家约瑟夫在 1795 年发明的。由于 早期技术水平的限制即使已经发展了二、三百年的液压传动技术在实际中很长一段时间内没有得到广泛应用 4。在我国，液压行业已形成了门类齐全，有一定生产能力和技术水平，初具规模的生产科研体系。目前全国约有近 300 家企业，还有液压研究室（所），国家级液压元件质量监督检测中心以及国家重点实验室。我国液压工业重视同国外企业进行有效的经济和技术合作，近年来先后从国外引进了很多液压元件和液压系统等制造技术，为提高产品 3 水平和生产能力起了重要作用。目前已和美国、日本、德国共同建立了某些合资企业，这些企业将推动我国液压工业的发展 。 在国外，液压工业的发展速度高于机械工业。为了满足用户的需要，主机品种日益增多，产品更新速度加快，相应要求液压元件增加品种，实现多样化，因而液压件属于大批量生产的产品相对减少，大部分属于成批或小批生产。为适应这种动向，国外生产方式也有所变化。 国内、外有些厂家采用可编程控制器控制方式，如天津锻压机械厂有近 54的产品装有 PM。通过采用 Pth 控制，使系统的控制性能和可靠性大大提高。丹麦的红血们公司采用 SIEMNES 的可编程控制器，实现对压力和位移的控制。而与国外发展情况相比，国内极少有采用工业控制机控制方式 的产品，成熟的产品是采用可编程控制器的控制方式 5。 走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。主要的发展趋势将集中在以下几个方面：（ 1）减少能耗，充分利用能量；（ 2）泄漏控制；（ 3）污染控制；（ 4）主动维护，提高故障诊断水平；（ 5）机电一体化；（ 6）液压 CAD 技术。 1.2 有限元的发展及现状 有限元法是计算力学中的一种重要的方法，它是 20 世纪 50 年代末 60 年代初兴起的应用教学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘 科学。有限元发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体，力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性。塑性、黏塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等。由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大地拓展 6。 有限元法的基本思路是将计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内 ,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点 ,将微 分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式 ,借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解 7。 有限元法是 R.Courant于 1943年首先提出的 8。自从提出有限元概念以来 ,有限元理论及其应用得到了迅速发展。过去不能解决或能 ； 解决但求解精度不高的问题 ,都得到了新的解决方案。 传统的 FEM假设 ： 分析域是无限的 ； 材料是同质的 ,甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的 ；对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等 9。1956 年，第一篇有限元文章发表，正式拉开了有限元发展的历史 10。自从 1965 年 “有限元 ”这个名词第一次出现，到今天有限元方法在工程上得到广泛应用，已经经历了四十年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科 学研 4 究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。主要表现如下几方面：增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费 111213。 在有限元法应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时 , 有限元也从分析比较向优化设计方向发展 14。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 对拖拉机前桥进行优化设计 ,结果不但降了约 40%的前桥自重 ,还避免了在制造过程中的大量焊接工艺 ,降低 了生产成本。有限元在国内的应用也十分广泛。自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统 JIGFEX 后 ,有限元法渗透到工程分析的各个领域中 ,从大型的三峡工程到微米级器件都采用有限元进行分析 15-16,在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。 有限元的发展趋势：（ 1）与 CAD 的无缝合成（ 2）更强大的网格处理能力 （ 3）由求解线性问题发展到求解非线性问题 （ 4）由单一结构场求解发展到耦合场问题求解 （ 5）程序面向用户具有开放性。 1.3 ANSYS 软件简介 ANSYS 是一款以有限元分析为基础的大型通用 CAE软件 ,是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一，该软件是由美国 ANSYS 公司研制开发的融结构、流 体、热、声、电磁等学科于一体的大型通用有限元分析软件 17。 在 ISO9001 国际质量体系认证中， ANSYS 软件是第一个通过认证的大型分析设计类软件。它对包括几何建模、网格划分、求解、后处理 、优化设计等在内的模块都具有一体化的处理技术 18。 ANSYS 中的 Structral 模块提供了完整的结构分析功能，包括几何非线性材料非线性各种动力分析等计算能力，此程序包在结构分析方面具有强大的功能。在实际生产过程中， 常常会遇到各种各样的机械结构分析问题：如机械结构受力，变形及内部应力情况等等利用 ANSYS 软件对机械模进行仿真模拟计算，通过应力应变云图直观展示构件的性能特点，从而为解决机械结构中常见的问题提供理论依据。传统的结构优化设计是由设计者提供几个不同的设计方案，从中比较，挑选出最优的方案。这种方法，往往是建立在设计者的经验的基础上，再加上资源时间的限制，提供的可选方案个数有限，往往不一定是最优的方案。如想获得最佳的方案，就要提供更多的设计方案进行比较，这就需要大量的资源，单靠人力往往难以做到 19。将 ANSYS 用于结构设计中，设计人员可以根据仿真分析的结果进一步了解机构的性能特点，主动地寻求最佳设计方案，使产品的设计更为合理，从而有效地提高产品的质量与工作性能20。 一个典型的 ANSYS 分析过程可分为以下三个步骤：（ 1）创建有限元模型。包括创建或读入几何模型；定义材料属性；划分单元（节点及单元）；（ 2）施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；求解；（ 3）查看结果。包括查看分析结果；检验分析是否正确。压力机的可靠性、安全性、加工精度和使用寿命等是机床结构设计和机床运行应考虑的主要问题，基于此，利 用solidworks 和 ANSYS 软件对压力机进行静态分析、模态分析和谐响应应分析，通过分析得出压力机的静刚度、前六阶振型及固有频率，为评价压力机的动静态特性以及后面的设计改造提供了 5 实验数据，为这种类型的压力机设计改进提供了参考 21。 参考文献 ： 1 董建兴 .压力机再制造关键技术及实例研究 D.山东理工大学机械设计及理论专业硕士学位论文， 2013.4 2 朱钒 ,张志，张道富，李庆亮 ,司徒忠 .国内外液压机技术现状及发展趋势 .机床与液压， 2000. 3 许福玲 ,陈尧明 .液压与气压传动（第三版） M北京：机械工 业出版社， 2007. 4 陈成 .20MN 快速薄板成型液压机液压系统设计与仿真 D.合肥工业大学机械工程专业硕士学位论文， 2013.4 5 叶劲松 .冶金设备液压技术的发展趋势 .武钢技术 .2005.5. 6 陈锡栋，杨婕，赵晓栋，范细秋，有限元的发展现状及应用 J.中国制造业信息化 .2010.6. 7 张晋红，吴风林，有限元法及其应用现状 J.综述 .2007.04. 8 李开泰 ,黄艾香 ,黄庆怀 .有限元方法及其应用 M.西安 :西安交通大学出版社 ,1992:1-3. 9 于亚婷 ,杜平安 ,王振伟 .有限元法的应用现状研究 J.机械设 计 ,2005,22(3):6-8. 10 王华瑜，初克建 .土木工程有限元程序现状与发展 R.山东：山东省龙口市金泰规划建筑设计有限公司；北京天圆泰工程造价咨询有限公司， 2011 11 傅永华 .有限元分析基础 M .武汉 :武汉大学出版社 ,2003.8. 12 李人宪 .有限元法基础 M .北京 :国防工业出版社 ,2002.5. 13 杨先海 , 褚金奎 , 尹 明富等 . 有限 元数值模 拟技术及 工程应用 J. 机械设计与制造 ,2003(3):107-108. 14 韩西 ,钟厉 ,李博 .有限元分析在结构分析和计算机仿真中的应用 J .重庆交通学院学报 ,2001(20):124-126 . 15 吴梦喜 ,王建锋 ,苏爱军 .三峡库区寨坝 变形体的渗流 变形有限元耦合分析 J.岩土工程学报 ,2003(4):445-448. 16 方华军 ,刘建设 ,任天令 .硅基 PZT 压电驱动 MEMS 光开关的设计与优化 J.微纳电子技术 ,2003(7/8):400-403. 17 田会然 .800MN 多向模锻液压机本体结构设计及分析 D秦皇岛：燕山大学材料加工工程专业硕士学位论文， 2005-11-26. 18 冯明益 .车轮模锻液压机新式结构研究 D.燕山大学材料加工工程专业硕士学位论文， 2013.5 19 刘云平 ，包华，陈明 .ANSYS 软件的优化分析介绍 D.南通大学建筑工程学院 .0000-2157/SG（ 2010） 04-0053-05. 20 黄一江 ANSYS 结构优化设计在机械设计中的应用 J应用技术， 2013（ 4). 21 王亚利 .ANSYS 软件在机械结构分析中的应用 M佛山职业技术学院， 1006-4311（ 2014）03-0203-02. 6 毕业设计（论文）开题报告 2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1 课题来源 本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。 MP160 型 压力 机是该公司根据市场需求而开发研制的产品。要求我们运用有限元分析技术对 MP160 型 压力机进行结构分析并给出优化方案。通过本课题的研究 ,为提高压力机产品的性能，质量和寿命，降低产品成本提供科学计算分析的依据，增强其产品在市场的竞争力。 2.2 课题分析（研究或解决的问题） 运用有限元分析软件 ANSYS 对 MP160 型 压力机 进行有结构静态分析、模态分析以及结构优化设计。利用静态有限元分析，校核液压机机身部件的强度和刚度，并且根据分析的结果进行结构优化设计以达到降低生产成本，提高经济效益。模态分析可以求出机身振 动的固有频率以及相应的振型，分析各种振型对液压机工作状态的影响。这对于了解液压机现有结构的力学特性以及进而改善其结构有重要的意义，为液压机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有： 对 MP160 型 压力机机身 进行三维实体建模； (1) 了解 MP160 型 压力机 工作性质和工作状态 ；对其进行工作载荷分析，确定边界条件及加载方案； (2) 划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身的应力和应变分布规律， 评价载荷对压力机工作性能的影响； (3) 对 机身 模型进行自由模态分析，求解 机身 固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其对工作状况的影响； (4) 根据分析结果，在应力集中危险区域采取措施改善应力状况；在低应力区域，改变相关尺寸变量，以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析，检验改变尺寸后的刚度和强度。重复进行以上步骤，直到获取最佳方案。 2.3 方案定制 (1) 先熟悉和了解 Solidwords 软件和 ANSYS 软件； (2) 在 Solidwords 里画出 MP160 型压力机的三维模型； (3) 将精整压力机的模型导入 ANSYS 软件； (4) 添加材料特性：机身材料是 Q235A,密度 =7800 /m3； (5) 对单元进行网络划分，遵循 “均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ”的原则； (6) 对模型选择自由端和固定端，并添加约束条件； (7) 对压力机进行加载：设备在工作时承受两个相反方向的载荷，机身所受载荷简化为对机身的两个方向的均布载荷； (8) 对压力机进行应力场分析； (9) 分析压力机在加载情况下机身变形情况以及应力和应变分布规律； (10) 对机身结构进行结构静态分析优化，评价载荷对压力机工作性能的影响，从而选择合适的机身 7 尺寸和材料厚度，尽量减轻机身的重量； (11) 对压力机进行自由模态分析，