630T立式冷挤压机有限元分析与改进设计论文

扬州大学广陵学院 本科生毕业论文 毕业论文题目 630t 立式冷挤压机有限元分析与改进设计 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 I 摘 要 本文主要是通过有限元分析软件 ANSYS 对 630t 立式冷挤压机机身进行静态分析，并根据静态分析结果分析应力分布和变形情况，来进行结构优化设计。在对630t 立式冷挤压机机身结构进行受力分析时，将机身底面四个脚采用固定约束方法限制其 6 个自由度，并在加载区施加均布载荷，然后计算结果，分析机身整体应力云图和垂直 Z 向整体变形图，找到机身应力集中区和薄弱环节，提出改进方案。 根据计算结果发现，床身整体应力不大，说明强度足够，但是机床垂直方向变形量较大，导致加工精度较差。所以需要研究如何在降低机床变形量，提高加工精度的条件下，同时减少材料以降低成本。 针对该机身结构存在的问题，本文提出了十种优化方案，并把每个方案分别建模，导入有限元软件 ANSYS，分析其强度和刚度，然后分析比较每个方案的计算结果，最终获得最优的改进方案。该方案不仅可以明显提高机身的刚度，达到了机床加工精度的使用要求，还减轻了床身的质量，降低了生产成本。 关键词 630t 冷挤压压力机 ， 有限元 ， 静态分析 ，改进设计。 II Abstract This article is for 630t Vertical cold extrusion machine body static analysis by finite element analysis software ANSYS and static analysis based on the results of the stress distribution and deformation analysis , to improve , compare and choose the best solution . When cold extrusion machine to 630t Vertical fuselage structure is analyzed, the underside of the fuselage four feet fixed constraint method to limit its six degrees of freedoms, and impose uniform load in the load area, and then calculate the results, analysis Z stress cloud and down to the deformation maps, find body stress concentration zone and weaknesses, to improve the program. According to the results, it was found that the strength parameters is surplus , but the amount of deformation is large, the precision is not enough, so the next step is to ensure the accuracy in the conditions to minimize the material in order to reduce costs. The fuselage structure for the problem, this paper presents an optimization program ten, and the modeling of each program separately, importing finite element software ANSYS, static analysis of its strength and stiffness, and comparative analysis of the results of each program, eventually find the optimal improvement program, not only improves the precision of the body, reaching the machine requirements, but also reduce the mass and reduce the cost. Key words closed press, finite element method, static analysis, improvement designs III 目录 摘要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 本课题 研究概况 . 1 1.2 研究背景和来源 . 1 1.3 冷挤压压力机研究现状 . 2 1.4 研究目的及意义 . 2 1.5 主要研究内容 . 4 第二章 机身结构的静态分析 . 5 2.1 ANSYS 软件简介 . 5 2.1.1 ANSYS 介绍 . 5 2.1.2 ANSYS 的主要技术特点 . 6 2.1.3 ANSYS 有限元求解的基本步骤 . 7 2.2 机身简介 . 7 2.2.1 建立有限元模型 . 9 2.2.2 单元类型的选择 . 9 2.2.3 网格划分 . 10 2.2.4 边界条件 . 11 2.2.5 材料特性 . 12 2.3 计算结果分析 . 12 2.3.1 机身的应力应变要求 . 12 2.3.2 原始模型整体应力图 . 13 2.3.3 原始模型 整体变形图 . 错误 !未定义书签。 4 第三章 机身结构的改进设计 . 15 3.1 改进方案一 . 15 IV 3.2 改进方案二 . 17 3.3 改进方案三 . 18 3.4 改进方案四 . 20 3.5 改进方案五 . 22 3.6 改进方案六 . 24 3.7 改进方案七 . 26 3.8 改进方案八 . 28 3.9 改进方案九 . 30 3.10 改进方案十 . 32 3.11 最佳方案确定 . 35 3.12 总结与说明 . 36 第四章 结论与展望 . 37 4.1 结论 . 37 4.2 展望 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 1 第一章 绪论 1.1 本课题研究概况 第一台 2000KN PK 型肘杆式精压机于 1933 年诞生于日本会田株式会社，到现在为止已经生产超过 2000 多台 PK 系列压力机 9。 30 年代，德国成功开发刚才的磷化处理工艺，为钢制冷挤压零件的成形创造了条件，并在 1955 年就开始冷挤压技术应用于汽车锻件的生产 9。 随着汽车工业的快速发展，对高精度、高效率压力机的需求愈加迫切，日本 70年代就研发出 CFT 系列多工位压力机，和肘杆式 K型精压机， 1988 年研究出 FMX 系列压力机，同时日本小松研制出 L1C 系列和 L2C 系列冷锻成形压力机，这些压力机精度高，操作简单，直闭式机身坚固，变形小，滑块调节量大，不需要润滑的导轨，另外还有自动送料装置和快速换膜装置，生产效率高，适宜冷（温）挤压工艺 9。 现在美国又将具有 5 6 工位的冷锻机升级为“成形中心”，可以加工各种形状结构复杂的锻件。 世界正在发展温冷挤压复合成形工艺。美国的国民公司、德国的舒勒公司、日本的小松等均研发出整套冷温锻造工艺和生产线装备 9。 上世纪 70 年代开始，我国 开始将冷挤压技术应用到 自行车、摩托车和汽车等锻件的生产当中，但是由于当时没有从根本上解决工艺，材料，自动化及后处理等技术问题，使得冷挤压技术没有得到快速发展 9。 80 年代随着交通工具的发展， 冷挤压设备技术的引进，使得我国对冷挤压设备的需求也越来越大，已经掌握多工位冷锻成形工艺，已经可以用冷挤压设备生 产表壳、自行车锻件、精锻齿轮、火花塞、汽车等速万向节和照相机配件等等，已经赶上国外先进生产水平。 而中国 J88 型冷挤压机拉力肘杆机构是由曲柄滑块机构加上曲柄摆杆机构组成 9。由于两套机构均接近于下死点附近区域内工作，所以，这种压 机滑块的工作行程速度缓慢，有利于冷挤压工艺，又由于机构具急回特性，对提高生产效率有很大作用，因此，这种机构广泛使用于冷挤压机。我国肘杆机构冷挤压机已经发展成形，相继出现等长肘杆机构，球头式不等长肘杆机构和三角形连杆肘杆机构。其中三角形连杆肘杆机构的最大优点是既能够增大滑块的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，三角形连杆肘杆机构适合于滑块行程及工作行程较大受力也较大的冷挤压工艺 9。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 2 1.2 课题研究背景和来源 冷挤压压力机是锻压机械的一种，通过通用曲柄连杆机构或肘杆机构以及其他如齿轮机构等传动，加 工精度高，生产效率高，易于实现机械化，自动化生产，冷挤压零件在汽车中所占的比例越来越大，所以大力研究和发展冷挤压设备对提高我国机械工业生产力是非常重要的，但是在我国，对于压力机的设计多是采用经验和类比的传统分析设计方法，最后设计出的压力机往往存在很多问题，比如：机床笨重，速度低，精度差，耗时长，成本较高，而且性能差，生产效率低，无法和发达国家已经定型的较成熟的设备相比，竞争压力较大。所以我国企业必须改变传统的研究设计方法，如现在国内外主流的有限元分析法。随着计算机辅助设计技术的快速发展，有限元现代结构分析法 已用运而生并且已被广泛地应用于汽车，工程，机床等诸多领域，对现代结构设计发挥重要作用。本课题主要来源于校企合作的自选课题，对 630t 立式冷挤压机进行有限元分析与结构改进，提高刚度和精度，并减轻质量。 1.3 冷挤压机的研究现状 赵长样 10等对 J31-400 冷挤压压力机进行了研究，发现 J31-400 冷挤压压力机在自行车生产中不适合左右后花盘的挤压工艺要求问题，提出了改进方案，通过理论计算和有限元仿真手段，设计出了 JA87-500 冷挤压压力机， 该机采用的是下传动偏心式闭式立式结构，如下图 1-1JA87-500 冷挤压压力机动作原理简图。 图 1-1 JA87-500 冷挤压压力机动作原理简图 为了改善压力机受力情况和走动特性，采用了滑块中心和偏心齿轮中心有一定偏距的偏置机构，如下图 1-2所示 JA87-500 齿轮滑块偏置机构。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 3 图 1-2 JA87-500 齿轮滑块偏置机构 采用该机构有以下几点好处： （ 1） 改变滑块正反行程运动规律，有利于进行冷挤压工艺。 （ 2） 偏置后减少了滑块对导轨的作用力，提高了机床的导向精度。 JA87-500 冷挤压压力机适应性强、行程大、吨位高、能量足，提高了我国锻件的生产能力和加 工精度，已经成为了我国大吨位专用冷挤压压力机。 1.4 本课题的研究目的及意义 目的：我国冷挤压机和国外比有很大差距，主要原因在分析研究上，国外不仅用计算机模拟仿真技术，还通过大量的实验来模拟。而我国主要是通过理论计算，根据经验来估算许用应力，再用有限元分析软件来分析，但侧重静态分析，很少用模拟实验装置来做大量的实验。本课题的研究希望能动态分析设计，优化选择方案，实现冷挤压机的高速化和自动化，提高机床的精度，减轻质量，提高寿命，增加我国压力机在国际市场的竞争优势。 意义：本课题主要是通过有限元分析法来进行静 、动态分析，模拟冷挤压机床身的变形、应力分布和振动情况，选择最优方案，提高我们机械结构的分析设计能力。另外应用这些先进的分析方法，还能够提高我国压力机的刚度、精度、稳定性和使用寿命，提高国际竞争优势。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 4 1.5 本文主要研究内容与要求 本课题主要是对 630t 立式冷挤压机床身进行有限元计算，分析挤压机在承受 800t 载荷作用时，床身的应力和变形分布规律，从而了解机床的强度和刚度。在此基础上，运用大型通用有限元软件对挤压机进行整体建模，分析得到各个部件应力与变形的全场分布规律，并对挤压机进行改进设计，在保证挤压 机强度的基础上，提高机床的刚度和加工精度 ,本课题要求加工精度小于 1mm（即上下两加载板之间的总变形量小于 1mm），上加载板前后左右变形量要一致，避免机身前后或者左右发生扭曲变形，否则严重影响加工精度，在此基础上考虑到机身应力的合理分布，要减轻床身的重量以节省材料和制造成本。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 5 第二章 机身结构的静态分析 对于 630t 立式冷挤压压力机分析，主要采用 ANSYS 有限元软件进行应力与变形的计算，通过分析计算得到的云图，了解强度和刚度，以此来分析机床的刚性和加工精度。 2.1 ANSYS 软 件简介 2.1.1 ANSYS 介绍 ANSYS 软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于核工业、石油工业、航空航天、机械制造、能源、船泊、土木、海洋工程、生物工程等许多领域。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 公司开发 .它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer、 NASTRAN、 I DEAS、 Auto CAD 等， 是现代产品设计中的高级CAD 工具之一，是有限元法的在工程上的实际应用。 ANSYS 软件是第一个通过ISO9001 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会 （ ASME）、美国核安全局（ NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。现在已经通过了 ISO9001 2000 质量体系认证 17。 ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块（前处理器）提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。包括参数定义、实体建模、网格划分 17。 分析计算模块（求解器） 包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。在次阶段，我们进行分析类型定义、分析选项、载荷数据和载荷选项。 后处理模块（后处理器）可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 6 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。在 ANSYS 中后处理模块分为通用后处理模块（ POST1） 和时间 历程后处理器（ POST26） 17。 启动 ANSYS，进入欢迎画面以后，程序会停留在开始平台。我们可以从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块： PREP7（通用前处理模块）， SOLUTION（求解模块）， POST1（通用后处理模块）， POST26（ 时间历程后处理模块）等。各个模块如下图 2-1 ANSYS 程序的模块化结构及其对应主菜单 17。 图 2-1 ANSYS 程序的模块化结构及其对应主菜单 2.1.2 ANSYS 的主要技术特点 17 ANSYS 成为载有限元分析软件中的 佼佼者，是因为它有其自身的独特优势和技术特点，下面作简要说明： 1. 程序功能强大，应用范围广，用户界面友好。 2. 交互式图形显示。 3. 能实现多场及多耦合分析。 4. 统一使用集中的数据库来存储模型数据和结果。 模块结构 SOUTION 求解器 POST1 通用后处理器 POST26 时间历程后处理器 OPT 优化设计模块 RUNSTAT 评估分析模块 OTHER 其它功能 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 7 5. 具有多物理场优化功能。 6. 具有强大的非线性分析能力。 7. 方便的二次开发能力。 1.5.4 ANSYS 有限元求解的基本步骤 17 ANSYS 软件含有多种有限元求解功能，包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。不过一个典型的 ANSYS 分析过程一般可以分成三步： 1建立模型 （前处理模块： Preprocessor） 1) 指定工作名 (Job name)和标题 (Title)。 2) 选择并定义单元类型。 3) 定义单元实常数。 4) 定义材料特性。 5) 创建或读入几何模型。 6) 划分网格获得网格化的模型。 7) 检查模型。 8) 存储模型。 2. 加载求解（求解模块： Solution） 1) 选择分析类型并设置分析选项。 2) 施加载荷。 3) 设置载荷步选项。 4) 求解。 3. 查看分析结果。 1）查看分析结果。 2） 分析处理并评估结果。 2.2 机身简介 压力机的一个基本支撑部件就是机身，在运作的时候将承受全部工作变形力。因此，合理设计机身结构对提高压力机刚度和减少机身质量，降低成本，都有重要 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 8 的意义。 机身分为三大类，即开式机身和闭式机身和半闭式。我研究的 630t 立式冷挤压机是半闭式的。 框架形结构床身刚性好， 所以能承受较大的载荷，而且载荷分布比较均匀。 该设备的主要参数与要求如下： 型号 : 630t 立式 ； 机身材料是 Q235， 密度 37800 mkg ； 弹性模量 E=210GPa； 泊松比 =0.3； 动载荷系数： 1.2（由于设备在使用中载荷会随时间有一定的变化）； 加载 800 t；（考虑到动载荷系数，实际加载 =630*1.2=750t） 上下加载板垂直方向相对位移最大 1mm。 如下图 2-2所示为 630t 立式冷挤压压力机三维 Solid works 图。 图 2-2 630t 立式冷挤压机床身的正视图与左视图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 9 2.2.1 有限元模型的建立 打开 ANSYS 有限元软件导入所建的机身模型如下： (直接将 solid works 软 件所建立的 630t 立式冷挤压机机身三维模型导入到 ANSYS 软件中 )如下图 2-3 导入的 630t 立式冷挤压机机身模型。 图 2-3 导入的 630t 立式冷挤压机机身模型 2.2.2 单元类型的选择 该机身是 Q235 焊接结构，形状不规则，结构比较复杂，一般的六面体单元无法满足复杂结构的使用要求，而不管多么复杂的机械结构模型，四面体单元都能精确底反映出结果信息，适应性强，所以可采用四面体单元划分，本文在 ANSYS 中计算时采用的单元类型就是四面体单元。 此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精 确性，特别适合边界为曲线的模型 。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 10 2.2.3 单元网格的划分 本文采用自由网格划分，但为了遵循“均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划”的原则，部分参数设置如下 ； 将 relevance center 设置成 fine； 将 smoothing 设置成 high； 将 transition 设置成 fast； 将 Span angle center 设置成 fine； 图 2-4 网格划分参数设置如图 网格划分后有限元模型如图 2-5 所示。有限元模型中一共有 275024 个节点，有 149378 个单元。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 11 图 2-5 630t 立式冷挤压机机身网格划分后模型 2.2.4 边界条件的施加 机身静态分析的边界条件包括两个方面：边界约束和施加载荷。 1） 载荷的施加 实际载荷取 800t，而 ANSYS 软件中输入的载荷是压强值，故转化为压强作为载荷，其中上矩形垫板尺寸： 250*280mm 下环形垫板尺寸： D=300mm， d=85mm 上矩形垫板 载荷 /面积 =123MPa 下环形垫板 载荷 /面积 =114MPa 2）边界约束条件 机座的 底面四个脚采用固定约束方式来限制其 6 个自由度 ，由于考虑到机身近60t 的重量，因此要施加向下的重力加速度 9.8m/s2。如下图 2-6 边界条件施加效果图。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 12 图 2-6 边界条件施加效果图 2.2.5 材料特性的施加 机身为 Q235 钢的板材焊接结构，在工作时其变形是弹性变形。材料特性常数包括：弹性模量、泊松比、密度， Q235 钢的弹性模量 E 为 206.76GPa， 泊松比 为0.27 0.3， 本文取 E=2.11011Pa， =0.3， Q235 钢的密度取 = 7800kg/m3。 2.3 计算结果分析 2.3.1 机身的应力应变要求 （ 1）机身材料为低碳钢，结构的破坏形式一般为塑性屈服，所以在强度分析中采用第三强度理论或第四强度理论。但是第三强度理论未考虑主应力 2 影响， 2它可以较好的表现塑性材料塑性屈服现象，只适用于拉伸屈服极限和压缩屈服极限相同的材料。 而第四强度理论考虑了主应力 2 的影响，且和实验较符合，它与第三强度理论比较更接近实际情况。因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力 来评价。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 13 第四强 度的含义就是：在任何应力状态下，材料不发生破坏的条件是： 许用应力 ， = S/安全系数 而 S = )()()(21 213232221 （第四强度理论公式） 其中： 1 第一主应力 ； 2 第二主应力 ； 3 第三主应力 ； 由前可知，机身材料为 Q235， S =235MPa 考虑到疲劳修正系数和疲劳修正系数安全系数，故安全系数取 1.47，则 = 材料屈服强度 /安全系数 =235/1.47=160MPa ，所以 我们所要的应力要求是： 160MPa。 （ 2） 机身变形要求 : mmzz 1 ； 上加载板前后左右变形量要一致。 2.3.2 原始模型整体应力图 首先对原始设计的机床进行有限元计算，图 2-7所示为床身整体应力分布图。 如图 2-7 原始模型整体应力云图 图 2-8 最大应力点局部放大图 从图 2-7 可以看出，机身应力的最大值为 205.37MPa，发生在上支 撑板根部，图 2-8 所示为该处局部应力放大图。超过材料的许用应力 160MPa，说明机身局部 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 14 应力偏大，导致强度不满足要求。 另外从图上可以看出，床身大部分区域应力程度较低，远小于材料的许用应力，存在减重的空间，以减少材料降低制造成本。 2.3.3 整体变形图 该机身所受载荷主要是上下 Z 轴方向方向，而且整体上左右相对対称，所以接下来主要考虑受力方向 Z 方向的变形量，最后再检验下 X 方向和 Y 方向的总变形量，满足要求即可。整体 Z 向变形如下图 2-9 所示： 图 2-9 原始模型整体 Z 向变形图 由图 2-9 可以看出，床身上 加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.96461mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.30791mm，沿 z向总的相对变形量为 =0.96461-（ -0.30791）=1.273mm，明显已经超过了 1mm 的精度要求，故要进行结构改进，减小变形量。 希望通过合理的结构设计，在不增加床身自重的前提下，来减小上加载板和下工作台之间的相对位移量，提高机床的加工精度。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 15 第三章 机身结构的改进设计 机身的优化原则是：通过改变机身板的厚度 或筋板厚度或地脚螺栓位置 ，应用ANSYS 计算出机身最大应力，并满足应力和变形要求： 应力： 160MPa； 变形： z 1mm； 上加载板前后左右变形量要一致。 3.1 改进方案一 由变形图 3-1显示，主要变形区在上、前半部分，集中在加载板支撑部分，因此首先想到的就是将加载板左右支撑板加厚 30mm，如下图截图所示 图 3-1 将加载板左右支撑板加厚 30mm 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-2、整体 Z 向变形如图 3-3。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 16 图 3-2 改进方案一机身整体应力云图 图 3-3 改进方案一机身整体 Z 向变形图 分析图 3-2 可知最大 应力 max=190.13MPa，大于许用应力 160MPa ，显然强度不够； 由图 3-3 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.92151mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.30279mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.92151-（ -0.30279） =1.224mm 1mm，变形量较大，刚度不够； 质量 m=58374kg，增加 35kg； 显然此方案无法满足使用要求，需要继续改进。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 17 3.2 改进方案二 为了提高方案一改进后的左右支撑板支撑能力，就在该支撑板上各加 2个加强筋，如下 图 3-4所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400。 图 3-4 改进方案二机身结构修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-5、整体 Z 向变形如图 3-6。 图 3-5 改进方案二机身应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 18 图 3-6 改进方案二机身整体 Z 向变形图 分析图 3-5 可知最大应力 max=163.2MPa，大于许用应力 160MPa ，显然强度不够； 由图 3-6 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.84801 ，下工作台垂直向下的位移为 0.3027mm，沿 z向总的相对变形量为 =0.84801-（ -0.3027）=1.151mm 1mm，变形量较大，刚度不够，但是和前一个方案相比，效果很明显。 质量 m=58514kg增加 175kg；总的来说， 此方案机身 强度、刚度不够， 无法满足使用要求，需要继续改进。 3.3 改进方案三 考虑到最上面的顶板前半部分承受较大的载荷，而且变形较大，作为上加载板的重要支撑部分，可以在方案二的基础上，将上顶板前半部分加厚 40mm，如下图 3-7所示： 上加 载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 19 图 3-7 改进方案三机身修改部分图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-8、整体 Z 向变形如图 3-9。 图 3-8 改进方案一机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 20 图 3-9 改进方案一机身整体 Z 向变形图 分析图 3-8 可知最大应力 max=174.4MPa，大于许用应力 160MPa ，显然强度不够； 由图 3-9 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移 为 0.81891 ，下工作台垂直向下的位移为 0.30302mm，沿 z向总的相对变形量为 =0.81891-（ -0.30302）=1.122mm 1mm，变形量较大，刚度不够，但是和前一个方案相比，效果很明显。 质量 m=59607g，增加 1268kg；总的来说， 此方案机身 强度、刚度不够， 无法满足使用要求，需要继续改进。 3.4 改进方案四 理论上两侧竖筋板对上加载板施加向下的拉力，可以有效阻碍上加载板向上发生变形，所以在方案三的基础上将两侧竖筋板加厚 20mm，如下图 3-10 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 两侧竖筋板加厚 20mm。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 21 图 3-10 改进方案四机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-11、整体 Z 向变形如图 3-12。 图 3-11 改进方案四机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 22 图 3-12 改进方案四机身整体 Z 向变形图 分析图 3-11 可知最大应力 max=177.94MPa，大于许用应力 160MPa ， 显然强度不够； 由图 3-12 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.79633 ，下工作台垂直向下的位移为 0.30312mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.79633-（ -0.30312） =1.100mm 1mm，变形量略大，刚度不够，但是和前一个方案相比，效果很明显。 质量 m=61122g，增加 2783kg； 总的来说， 此方案机身 强度、刚度不够，虽然改进后效果很好，但是质量增加太多，严重增加成本负担，所以此方案要舍去 ，需要继续改进。 3.5 改进方案五 由图 2-9 原始模型变形情况可以看出 ，机身下半部分变形最大的地方就在下工作台上，其 Z 轴向下变形量大于 0.3mm，所以可以将下工作台加厚 40mm，来提高其刚度，减少向下的位移量，如图 3-13 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 23 工作台加厚 40mm。 图 3-13 改进方案五机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-14、整体 Z 向变形如图 3-15。 图 3-14 改进方案五机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 24 图 3-15 改进方案五机身整体 Z 向变形图 分析图 3-11 可知最大应力 max=164.72MPa，大于许用应力 160MPa ，显然强度不够； 由图 3-12 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.81887 ，下工作台垂直向下的位移为 0.28291mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.81887-（ -0.28291） =1.102mm 1mm，变形量略大，刚度不够，和前一个方案相比，效果不明显。 质量 m=59985g，增加 1646kg； 总的来说， 此方案机身 强度、刚度不够，质量虽然增加很多，但是和前一个方案 比，要好很多， 需要继续改进。 3.6 改进方案六 由方案五可以看出，质量还是增加很多，考虑到机身底板主要承受的是压力，而低碳钢抗拉能力不高，但是抗压能力很好，所以底板无需太厚，可以适当减少材料，如下图 3-16 所示将底板厚度减去 20mm： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 25 工作台加厚 40mm； 底板厚度减去 20mm。 图 3-16 改进方案六机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再 计算，整体应力如图 3-17、整体 Z 向变形如图 3-18。 图 3-17 改进方案六机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 26 图 3-18 改进方案六机身整体 Z 向变形图 分析图 3-17 可知最大应力 max=147.61MPa，小于许用应力 160MPa ，显然强度足够； 由图 3-12 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.81803mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.28687mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.81803-（ -0.28687） =1.105mm 1mm，变形量略大，刚度不够，和前一个方案相比，效果不明 显。 质量 m=59066g，增加 727kg； 总的来说， 此方案机身 强度足够，在降低应力方面显然比前面方案要好，但是整体刚度不够，质量增加依然很多，还 需要继续改进。 3.7 改进方案七 由方案六可知，改变底板厚度对机身强度和重量影响很大，所以可以将底板再减去 10mm，即和原始机身相比总共减去 30mm，如下图 3-19 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 工作台加厚 40mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 27 底板厚度减去 30mm。 图 3-19 改进方案七机 身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-20、整体 Z 向变形如图 3-21。 图 3-20 改进方案七机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 28 图 3-21 改进方案七机身整体 Z 向变形图 分析图 3-20 可知最大应力 max=145.18MPa，小于许用应力 160MPa ，显然强度足够； 由图 3-21 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.82008mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.29016mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.82008-（ -0.29016） =1.110mm 1mm，变形量略大，刚度不够，和前一个方案相比，效果不明显。 质量 m=58607g，增加 268kg； 总的来说， 此方案机身 强度足够，和前面方案相比，质量增加的很少，但是整体刚度不够，还 需要继续改进。 3.8 改进方案八 由图 2-2 可知，上加载板的下加强筋与两侧竖筋板的接触面比较小，理论上，增加加强筋的长度可以有效阻碍上加载板向上发生位移，所以将该处加强筋加长200mm，如下图 3-22 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 29 工作台加厚 40mm； 底板厚度减去 30mm； 上加载板下面两侧加强筋长度增加 200mm。 图 3-22 改进方案八机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-23、整体 Z 向变形如图 3-24。 图 3-23 改进方案八机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 30 图 3-24 改进方案八机身整体 Z 向变形图 分析图 3-23 可知最大应力 max=144.48MPa，小于许用应力 160MPa ，显然强度足够； 由图 3-24 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.81613mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.29016mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.81613-（ -0.28925） =1.105mm 1mm，变形量略大，刚度不够，和前一个方案相比，总的相对位移量减小了一点。 质量 m=58609g，增加 270kg； 总的来说， 此方案机身 强度足够，和前面方案相比，质量增加的很少，但是整体刚度不够，还 需要继续改进。 3.9 改进方案九 由方案八可知，机身重量依然增加了 270kg，考虑到机身后半部分应力较低，垂直方向变形量较小，有很大的 减料空间，而前半部分应力和变形量较大，所以可以将上顶板后半部分的厚度适当减掉 20mm，以减轻重量，而前半部分厚度增加 10mm，以提高刚度，减小 Z 轴向上的位移，如图 3-25 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部分加厚 40mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 31 工作台加厚 40mm； 底板厚度减去 30mm； 上加载板下面两侧加强筋长度增加 200mm； 上顶板前半部分加厚 10mm，后半部分减掉 20mm。 图 3-25 改进方案九机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-26、整体 Z 向变形如图 3-27。 图 3-26 改进方案九机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 32 图 3-27 改进方案九机身整体 Z 向变形图 分析图 3-26 可知最大应力 max=144.12MPa，小于许用应力 160MPa ，显然强度足够； 由图 3-27 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.80682mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.2899mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.80682-（ -0.2899） =1.097mm 1mm，变形量略大，刚度不够，和前 一个方案相比，总的相对位移量减小了一点。 质量 m=58449g，增加 110kg； 总的来说， 此方案机身 强度足够，和前面方案相比，质量增加的很少，但是整体刚度不够，还 需要继续改进。 3.10 改进方案十 在改进方案五里面将下工作台整体加厚了 40mm，但是由图 2-9 可知，工作台的变形主要集中在加载区域，而加载区周围变形很小可忽略，所以只需要在工作台中间区域加个 600*600*60mm 的凸台，如下图 3-28 所示： 上加载板左右支撑板加厚 30； 在支撑板上加四个加强筋 140*80*400； 将上顶板前半部 分加厚 40mm； 底板厚度减去 30mm； 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 33 上加载板下面两侧加强筋长度增加 200mm； 上顶板前半部分加厚 10mm，后半部分减掉 20mm； 工作台加上凸台 600*600*60mm。 图 3-28 改进方案十机身修改部位图 将改进后的模型重新导入有限元 ANSYS 软件，加载、加边界，再计算，整体应力如图 3-29、整体 Z 向变形如图 3-30。 图 3-29 改进方案十机身整体应力云图 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 34 如图 3-30 改进方案十机身整体 Z 向变形图 分析图 3-29 可知最大应力 max=140.44MPa，小于许用应力 160MPa ，显然强度足够； 由图 3-30 可以看出，床身上加载板沿 Z 轴垂直向上的位移为 0.80906mm ，下工作台垂直向下的位移为 0.28685mm，沿 z 向总的相对变形量为 =0.80906-（ -0.28685） =1.095mm 1mm，变形量很接近 1mm，刚度足够，和前一个方案相比，总的相对位移量减小了一点。 质量 m=58238g，减少 101kg； 总的来说， 此方案机身 强度和刚度足够，而且质量也减少了，降低了制造成本。但是考虑到上加载板前后左右变形一致的要求，所以还要进一步检验 ，其结果如下图 3-31 所示： 图 3-31 上加载板前后左右垂直向上相对位移量 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 35 由上图 3-31 可以看出，上加载板前后左右的变形量分别是 0.8901mm、 0.8918mm、0.8989mm、 0.8933mm，数值相差很小，基本一致。因此该方案满足要求。 3.11 最佳方案的确定 比较每个方案的结果如下表 3-1： 表 3-1 各方案比较 数据 方案 M/kg m/kg /MPa z/ mm 原始模型 58339 0 213.67 1.273 方案一 58374 35 190.13 1.224 方案二 58514 175 163.2 1.151 方案三 59607 1268 174.4 1.122 方案四 61122 2783 177.94 1.100 方案五 59985 1646 164.72 1.102 方案六 59066 727 147.61 1.105 方案七 58607 268 145.18 1.110 方案八 58609 270 144.48 1.105 方案九 58449 110 144.12 1.097 方案十 58238 -101 140.44 1.095 由上表 3-1 可以看出，方案五机身垂直方 向上总相对变形量很小，但质量增加最多，严重增加成本负担，显然不可取，而方案十，机身所受的最大应力最小，垂直方向上总相对变形量最小，而且重量最轻，比原来机床重量减少了 101kg，降低了成本，因此综上所述，方案十为最优方案。 胡远江 630t 立式冷挤压压力机有限元分析与改进设计 36 3.12 总结与说明 由于本课题是我校与启东一家企业合作项目，目前该机床 630t 立式冷挤压压力机正处于设计阶段，还没有完全成型，所以无法现场测试来对比和检验我所建模的正确性，无法看出我所设计的结果与实际的差距，但是基于有