JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计论文

JS-500精整压力机 机身 结构 有限元分析及改进设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生： 指导教师： 完成日期： 2014年 6月 1日 扬州大学广陵学院 I 摘 要 有限元分析和结构优化等 ANSYS 技术的应用，对于降低制造成本，提高经济效益具有重要的意义。本文以 JS-500 精整压力机机身作为研究对象， 运用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对 JS-500 精整压力机进行有结构静态分析、结构优化设计以主要内容有： （ 1） 分析了解 JS-500 精整 压力机工作状态和性能。 （ 2） 对机身结构进行三维实体建模。 （ 3） 分析曲轴的受力情况和强度校核，对其进行工作载荷分析，确定边界条件及加载方案。 （ 4） 划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身应力分布规律和载荷对其工作性能的影响，并对机身进行优化设计。 （ 5） 对压力机进行自由模态和约束模态分析，求解其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 。最后对论文的研究内容进行了总结和展望。 关键词 ：压力机，有限元分析，静态分析，优化设计，模态分析 II Abstract The application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the economic benefit is of great importance. Finishing press frame based on the JS - 500 as the research object, using the finite element analysis software ANSYS Workbench to JS - 500 sizing press has a structural static analysis, the structure optimization design to the main contents are: (1) The sizing press JS 500 is analysed, and its working state and performance. (2) The fuselage structure of 3 d entity modeling. (3) Analysis of crankshaft stress distribution and intensity, the analysis on the working load, boundary conditions and loading plan. (4) Mesh, finite element structural static analysis, the stress distribution and the fuselage and load on its working performance, and optimize the fuselage design. (5) For press freedom modal and constraint modal analysis, to solve the natural frequencies and corresponding vibration mode, dynamic parameters, such as analysis of its influence on working conditions. Finally, the paper research content is summarized and prospected. Keywords: press machine, finite element analysis, static analysis, optimization design, model analysis III 目 录 摘 要 . I Abstract. II 目 录 . III 第一章 绪论 . 1 1.1 压力机的概述 . 1 1.2 国内外压力机的发展 . 1 1.3 课题来源 . 3 1.4 本课题研究的目的及意义 . 3 1.5 本课题的研究内容 . 3 1.6 本章小结 . 4 第二章 有限元方法及 ANSYS 软件简介 . 5 2.1 有限元方法简介 . 5 2.2 有限元的发展与现状 . 6 2.3 ANSYS 模态功能介绍 . 7 2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench 简介 . 7 2.5 本章小结 . 8 第三章 压力机机身静态分析 . 9 3.1 机身静力学分析过程简要流程 . 9 3.2 三维实体建模 . 9 3.3 有限元模型的建立 . 10 3.4 制定分析方案 . 11 3.4.1 考虑的因素 . 11 3.4.2 单元类型 . 12 3.4.3 网格划分 . 12 3.4.4 接触设置 . 13 IV 3.4.5 施加边界条件 . 14 3.5 计算结果分析 . 15 3.5.1 应力和变形要求 . 15 3.5.2 结果分析 . 17 3.5.3 应力分析 . 19 3.5.4 变形分析 . 19 3.6 本章小结 . 19 第四章 机身结构改进 . 21 4.1 优化分析 . 21 4.2 优化方案一 . 21 4.3 优化方案二 . 24 4.4 优化方案三 . 27 4.5 优化方案四 . 30 4.6 选择最佳优化方案 . 33 4.7 本章小结 . 33 第五章 机身的模态分析 . 34 5.1 模态分析概述 . 34 5.1.1 模态分析理论基础 . 34 5.1.2 模态分析原理 . 34 5.2 对机身进行模态分析 . 35 5.2.1 自由模态描述分析 . 35 5.2.2 约束模态描述分析 . 37 5.3 本章小结 . 43 第六章 结论和展望 . 45 6.1 总结 . 45 6.2 展望 . 45 致谢 . 47 V 参考文献 . 48 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 1 第一章 绪论 1.1 压力机的概述 压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷 、橡胶、磁材、金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。 但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机间无法进行通讯，液压回路控制简单，床身结构为经验设计等缺点，无法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化的开发进程落后数十年。特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开压力机械的使用， 压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品技术要求的提高而需要更新。 因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动强度将起到重要的作用。也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民制造业有着深远的意义 1。 机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动对坯料进行成形加工的锻压设备。能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品2。在所有的锻压设备中，机械压力机所占比例高达 80%以上 3。 精整压力机是一种精密、高速、高效的精密整形拉深压力机，设备采 用六连杆机构并进行了优化设计，使该设备既具有类似于液压机的运动特性曲线，又具有较快的行程次数 4。 1.2 国内外压力机的发展 目前我国压力机机身的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的床身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期长，制造成本高，更新换代慢，这些问题使得国产压力机在高档次压力机领域内无法与国外压力机相抗衡。随着中国加入 WTO，中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为强大的竞争对手，为此，中国的压力机制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设计制造手段作 为技术支撑，来提高我国压力机的设计与制造水平，在新 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 2 的市场环境中积极参与竞争。随着 CAD/CAM/CAE 技术的日益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和发展，在机床设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益 5。 自改革开放以来，我国国民经济得到了稳定高速的发展，液压技术已广泛应用在冶金、工业设备、汽车、工程机械、船舶、飞机、润滑系统等各个领域 6。 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是新型压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多 压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压力机机身的设计长期以来还沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的床身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期长，制造成本高，更新换代慢，这些问题使得国产压力机在高档次压力机领域内无法与国外压力机相抗衡。随着电子技术、计算机技术与机床分析技术的结合，要求我们引入现代设计理念与手段，利用有限元法进行静态、动态特征的计算，对新型压力机机身作全面的分析优化。同时，对压力机的优化方法进行探索，实现真正意义上的设计 7。 目前国内外大多数 使用的压力机一般都采用不可调速的交流异步电动机进行驱动，这种驱动方式需要一整套的转换机构将旋转运动转换成所需要的直线往返运动，同时为了减小电动机的功率，还在传动系统中设置了飞轮，这种传动系统成本较低，但是体积笨重，变速难度大 8。 国外对于压力机的机身也有大量的研究，德国的 Neuman M.和 Hahn.H 建立了机械压力机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力机进行计算机仿真和动态设计。丹麦的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim设计了一种压力机实验 来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 9。日本作为世界上资源最稀缺并且消耗最大的国家之一，他们的工程技术人员对节能技术的研究一直处于世界先进水平。作为日本非常有影响力的企业，口本第一电气株式会社从 20 世纪 80 年代末就开始对直驱式电液伺服系统进行研究，取得了一系列的研究成果，己经在开始在工程设备中使用 10。 目前世界锻压设备的发展趋势是 :集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 3 近年来又发展了数控系统，能和电 子机算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓储等相结合，构成多种系列的柔性制造单元和柔性制造系统，并向现代集成制造系统方向发展 11。 1.3 课题来源 本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500 精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的，适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺。要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整 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。 1.4 本课题研究的目的及意义 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是开式压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度，高精度的压力机上，研究的方向不但在压力机机身上，而且已转移到整个压力机装配上，在研究的手段上不但是计算机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。我国压力机的分析水平还不高，对机身的有限元分析很多都局限于静态分析，而从动态方面来研究做得很少 。随着电子技术、计算机技术与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、目标最优化、过程动态化、使机床加工高速化、加工过程自动化和柔性化。并且具有可靠性和经济效益。只有这样才能提高我国机床的产品质量和国际竞争力，推动我国名族工业的生产。 1.5 本课题的研究内容 （ 1）前期准备： 收集相关资料，查阅中外文献、请教老师和同学讨论。 学习有限元分析软件，有限元建模、边界条件的确定、载荷模拟及结构应力应变场的分析及优化设计等现代设计方法。 （ 2）对 JS-500 精整压力机机身进行三维实体建模； （ 3）了解 JS-500 精 整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 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 4 （ 4）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； （ 5）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。 （ 6）对压力机进行模态分析，得到机身结构的固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其对工作的状况的影响。 1.6 本章小结 本章 主要介绍了课题的研究背景，课题来源，研究目的和要求。这章内容是论文的重要组成部分，是本论文写作的背景来源。这需要我们在做毕业设计之前首先去阅读并加以理解，然后贯穿于整个设计过程中。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 5 第二章 有限元方法及 ANSYS软件简介 2.1 有限元方法简介 有限元法 (Finite Element Method)简称 FEM，产生于 20 世纪 40 年代。此前，工程中解微分方程的数值方法主要是差分法。由于航空工业发展的需要，对飞机的结构要进行精细的设计与计算，以减轻质量、提高强度等，这就推动了结构力学 的发展，出现了矩阵力学分析方法。 R.W.Clough (1960 年 )在分析弹性力学问题时首次提出有限元方法的名称。冯康等 (1964 年 )也提出了类似的有限元方法及变分原理。此后，有很多的工程师在土木工程、机械工程等各个领域尝试采用有限元方法分析弹性力学问题、流体力学问题、传热问题等，推动了有限方法的蓬勃发展。 1967 年，ZienkiewiczOC 和 Cheung 最早出版了有限元分析的专著。 1972 年， J.T.Oden 出版了非线性连续体的有限元专著。有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到很好的解决 ，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命，带动了其他学科的发展。据估计，目前国际上，有 90%以上的机械类产品、土木工程结构要采用有限元分析方法进行分析，有 70%的科技文献中会采用有限元作为分析工具 12。 李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据 13。土俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定了极限安全系数 14。土苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式吃剪 机机架使用中存在的问题，采用 ALGOR 软件对吃剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了吃剪机机架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对吃剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式吃剪机架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则 16。史宝军、管延 锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，使机身的结构更合理 1718。史宝军等主要对 J21-160 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 6 轻重量又提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化 19。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一 ANSYS 公司开发 20。 2.2 有限元的发展与现状 有限元的的核心思想是结构 的离散化，就是将实际结构假象的离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程进度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于当时计算机尚未出现而没有被重视。直到 60年代有限元法才发展起来，是计算机的产物。美国克劳夫教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在 1960年首次提出了 “ 有限单元法 ” 这一名称 21。我国的冯康教授在 1956年中发表的论文中也提到了有限单元法。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、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。 随着电子计算 机速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受，人们不必再在编写程序上花费大量的精力。不仅如此 ,商品化有限元程序的发展 ,还使用户能够摆脱手工网格划分、逐点输入结点坐标和单元联接信息 。 而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结果分析上鲜明的视觉效果。目前的商品化有限元程序一般分为 3个部分，即前处理部分、处理部分和后处理部分。它们通过互交式计算机图形集中到 CAD /CAM系统 22。 通过对压力机机身进行有限元分析后，对强度、刚度相对薄弱的局部结构进行改进 23。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 7 随着计算机与有限 元软件的发展，用有限元法对零部件进行受力分析校核逐渐取代了原有的经典材料力学的危险截面计算法。通过测试证明，有限元法计算结果误差更小，能够为设计人员提供更为可靠的参考依据。近两年来，采用有限元分析法对机床在设计开发阶段的关键零部件进行及时分析校核，为零部件的反复优化改型设计提供了重要参考依据，使机床在生产加工前，其零部件强度和刚度己经有了较好的控制，极大减少了返工率 24。 有限元方法的一些发展趋势： 1.与 CAD 软件的无缝集成 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 25。 2.3 ANSYS 模态功能介绍 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。 分析计算模块包括结构分析（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。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC， SGI， HP，SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench简介 软件接口 ，实现数据的共 ANSYS 软件 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件 。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 享和交换，如 Pro/Engineer, I DEAS, AutoCAD 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 8 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中 CAE软件 的异构问题。面对制造业信息化大潮、 仿真软件 的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求， ANSYS 公司提出的观点是：保持 核心技术 多样化的同时，建立协同仿真环境。 与传统 ANSYS 对比， Workbench 与其主要功能大致相同，有以下几点： 1）结构分析。用于分析结构的变形、应力、应变 和反力等。结构分析包括静力分析、动力学分析。 2）热分析。热分析通过模拟热传导、对流和辐射三种热传递方式，已确定物体的温度分布。可以进行稳态和瞬态热分析，可以进行线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程。 2.5 本章小结 对本设计过程所需要的理论依据，工具等作了简单介绍，详细的请读者参阅有关参考文献。贯穿设计过程中的思想是有限元法，在设计的后半部分，还要用到优化设计方法。其中，将有限元法应用到实际中去需要借助有限元分析软件 ANSYS Workbench，它是必不可少的工具。 所以，在进行机械设计的过 程中一定要选对研究方法和研究工具，掌握研究对象特点，这样才能在设计过程中有条不紊地完成每一个部分的设计内容，最终顺利完成设计内容，交出一份高质量的设计报告。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 9 第三章 压力机机身静态分析 3.1 机身静力学分析过程简要流程 3.2 三维实体建模 SolidWorks 软件采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术，是目前领先的、主流的三 维 CAD 软件。它具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析和动态仿真等 多项功能， 它为广大用户提供了多种多样的设计过程专用工具。对于焊件设计，可以使用直 观的布局方法来迅速获取设计意图。通过利用焊缝、角撑板、顶盖和切割清单，迅速完成焊件设计和文档。它还包含功能强大的钣金工具，用于在折叠或展开状态创建高级钣金设计。该模块自动应用所有钣金特性（如金属厚 度、折弯半径和折弯释放槽），并自动完成法兰、切口、放样的折弯、展开、正交切除、角切除、正交处理、褶边、 转折等的创建过程。借助 SolidWorks 软件，用户可以灵活地在一个文档中创建零件、装配体和工程图的多个版本， 由此最大程 度地提供重用机会。 实体模型是在 Solidworks 中建立的，因为本人认为 Solidworks 建模方便快捷，而且可以利用 ANSYS Workbench 与 Solidworks 的接口技术快速得将模型导入ANSYS Workbench 进行分析。 机身由前、中、后三块板，左、右侧两块板，以及一个工作台组成。其中，前对机身结构进行必要简化，用 Solidworks 软件对机身进行实体建模 。 将模型导入到 ANSYS Workbench 软件中，进行有限元分析。 对分析结果进行观察与总结，以便后续的机构优化设计。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 10 面的板上有一半径 340 的上半圆孔和半径 310 的下半圆孔，中间板上有一 380的孔，并与半径 340 的半圆孔是同心的，用来支撑压力机曲柄滑块机构中的曲轴。 建模时，必须对实体模型进行改造。压力机机身结构复杂， 不可能将所有复杂因素都考虑在内，不可能使有限元模型的质量矩阵、刚度矩阵完全与事实相符。 简化建模的原则为，在尽量保留重要结构的基础上，将不影响分析的结构去除，并且不考虑倒角、圆角、凸台、螺钉孔等结构。 机身是压力机的一个基本支撑部件，工作时要承受全部工作变形力。因此，机身的合理设计对减轻压力机重量，提高压力机刚度，以及减少制造工时，都具有直接的影响。机身分为两大类：即开式机身和闭式机身。机身结构分为铸造结构和焊接结构两种。 JS500 压力机机身为半开半闭的焊接加螺栓结构，左右基本对称。 JS500 的主要技术 规格如下 型 号 : JS-500； 公 称 压 力 : 5000KN； 公称压行程： 8mm； 滑块行程长度： 300mm； 滑块行程次数： 30； 工件台面尺寸： 前后方向 1100； 左右方向 1200； 工件台面板厚： 200； 机身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 3.3 有限元模型的建立 为了进行有限元分析，必须对于实体模型进行改造，使之成为很多微小的单元和节点的组合，这样的模型称为有限元模型。其建立包括定义单元属性，划分网格生成单元以及添加边界条件 等步骤。 简化时，应根据分析类型，只考虑一些起主导作用的因素来建立机身的简化模型，因此对于某些结构凸台、螺钉孔、销孔、圆角等予以忽略。主板和主垫板、隔板、拖动架、滑块之间用螺栓连接，可视为一个整体。简化后机身实体几何模型如图 3-1 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 11 所示。 图 3-1 压力机实体模型 总体积为 3.5484 3m ，总重量为 27677kg。 3.4 制定分析方案 3.4.1 考虑的因素 主要包括： 1) 几何模型对称性：考察结构是否具有对称、反对称、轴对称的特性，以缩减分析模型的规模。 2) 几何 模型细节：结合分析领域和问题的类型，考虑几何模型的细节是否可做简化处理，如模型的小孔、倒角、小的突起等。 3) 问题定性：确定分析问题是线性还是非线性问题，如果是非线性问题，进一步确定是哪一类非线性，如几何非线性、材料非线性还是接触非线性。 4) 单元类型：依据涉及的物理场、模型的形状、单元的阶次、求解的时间等因素来选定合适的单元类型。 5) 网格划分 :需要在耗费工时、计算规模和求解精度之间综合衡量，从而选定合理的网格划分方式和网格密度。 6) 载荷：考察选择哪一类型载荷和加载方式能与实际工况尽可能地等效，载荷施加尽量不做简化处理 。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 12 7) 求解器：结合分析问题类型、硬件资源 、 求解时间和精度，选择最优的求解算法。 3.4.2 单元类型 根据对本课题的分析及研究，确定压力机结构有限元分析属于结构分析中的静力分析问题。几何模型结构具有对称性，是左右对称的。由于压力机模型是从外部导入产生的，因此，几何模型细节的简化处理已经考虑过了。 三维实体是由带有二次状态方程的高阶四面体或六面体实体单元进行网格划分的。在这里选择的是四面体实体单元 Solid92，如图 3-2。该单元有 10 个节点，每一个节点有三个自由度， 单元具有塑性、膨胀性、应力刚化、大变形以及大 应变的能力。 图 3-2 Solid92 单元 3.4.3 网格划分 利用 ANSYS Workbench 的智能尺寸网格划分功能，网格划分器 Meshing tool 对将要划分网格的体上的所有线估算单元边长大小，对几何体上的弯曲近似区域的线进行细化，自动生成合理形状的单元和单元尺寸分布。通过基本控制和高级控制可以设置网格划分的智能尺寸，本人将网格尺寸选择为 40mm，精度为 100，畸变度选择 0.3。网格划分后共产生 84456 个单元， 155317 个单元节点。 精度越高，网格的质量也越好。当然，复杂几何区域的网格单 元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无结果 。 有很多方法来检查单元网格质量 (mesh metrics*)。例如，一个重要的度量是单元畸变度（ Skewness ）。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在 0 (极好的 ) 到 1 (无法接受的 ) 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 13 之间的比例因子。划分网格后的机身如图 3-3 所示。 图 3-3 机身网格划分 3.4.4 接触设置 压力机轴承孔与滑动轴承外圈之间的相对运动是接触问题，接触问题需要定义接触对，在压力机身有限元分析中存在两个轴承孔，因此需要定义两个接触对。在分析之前，要先在每个轴承孔内分别建一个半轴。建一半的轴就可以了，原因是既不影响分析，又方便添加载荷。设置接触对的压力机机身如图 3-4 所示。 图 3-4 接触对设置 在两个表面的接触问题中，一个面一般被作为 “ 目标面 ” 来建立，另一个作为 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 14 “ 接触面 ” 。对于一个固定，一个滑动的接触来说，目标面是固定的，接触面是滑动的；对于两个都滑动的接触来说，接触面和目标面都与变形体相联系。这两个面一起被称为 “ 接触对 ” 。 Workbench中提供了五种接触类型，单从字面上很难理解这几种接触的区别，下面对其中两种常用接触类型加以解释。 Bonded(绑定 )。这是关于接触的默认设置。如果接触区域设置为绑定，不允许面和线间间有相对滑动或分离。可以将此区域看作被连在一起。因为接触长度 /面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有初始渗透。 No Separation（不分离）。这种接触方式和绑定类似。它只适用于面。不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。 在这里选择 TARGE169和 CONTA171接触对。由于轴承与轴承孔之间的接触可能存在小的相对滑动，所以选 择 “ No Separation” 类型。其他的几个接触要求没有相对运动，效果相当于固连起来的，所以选择 “ Bonded” 类型。 3.4.5 施加边界条件 （ 1）载荷的施加 压力机的公称压力是 5000KN，但由于实际应用中载荷并不是由零缓慢增加，在冲压工件时具有一定的加速度，机身实际上受到的是动荷作用，故应在静载荷上乘以一个动荷系数 1.20，即 6000KN。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。机身在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在曲轴支撑孔上，方向向上；另一个是作用在工作台上，方向向下。两者大小 相等，方向相反。工作台上的载荷是均布载荷的形式作用于机身上，二轴承孔上的载荷是通过加载到半轴上的载荷通过接触的设置，间接传递到轴承孔上，这样能够真实地反应轴承孔的受力。 （ 2）工作台及曲轴支撑孔上载荷的处理 工作台及液压缸上载荷的处理 工作台上的载荷按均布载荷处理，其大小计算如下： P=F*1.2/A 其中： F公称压力 A受力面积 6000KN 的动载荷平均分布在工作台上，则 P=5000KN*1.2/（ 1100mm*1200mm） 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 15 =4.55MPa 前面板上的轴承孔由于轴的作用受到 向上的力 F1=3000KN，力施加在轴的左端，A= *340*60，因此前面的轴承孔受到压力为 P1=46.8MPa。同理，中间板上的轴承孔受到压力为 P2=10.5MPa。 （ 3） 约束条件 JS-500精整压力机机座的边界约束条件是通过地脚螺钉与地面相连的全约束，即可近似模拟其实际位移状态，图 3-6反映了 ANSYS Workbench中施加外力载荷和进行边界约束。 如图 3-5所示。 图 3-5 施加约束 3.5 计算结果分析 3.5.1 应力和变形要求 （ 1） 变形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2） 应力要求：材料为低碳钢，结构的失效形式为屈服失效。因而在强度分析中采用第三强度理论或第四强度理论。第三强度理可以较为满意地解释塑性材料的屈服现象，例如低碳钢拉伸屈服时，沿着与轴线成 45 度方向出现滑移线，而这一方向斜面上的切应力也是最大。由于这一理论形式简单，概念明确，且计算结果偏于安全，故在工程中广泛应用。但是这一强度理论未考虑主应力 2 对屈服的影响。第四强度理论认为形状改变比能是引起屈服的主要因素。即认为无论在什么应力状态， 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 16 只要形状改变比能 dv 达到某一极限值，材料就发生屈服。单向拉伸屈服时其屈服应力为s，相应的形状改变比能由式 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 3d vv E （ 3-1） 求出为（ 1+） s2/(3E)，这即为形状改变比能的极限值。于是屈服判据为 216dsv E （ 3-2） 在任意应力状态下，形状改变比能为 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 6d vv E （ 3-3） 代入前式可得以主应力表示的屈服判据 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 s （ 3-4） 相应的强度条件为 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 （ 3-5） 一些试验表明 ，这一强度理论可以较好的解释和判断材料的屈服。由于全面考虑了三个主应力的影响，所以比较合理，它比最大切应力理论更符合实验结果。 在这里本人选择用第四强度理论。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 =s/安全系数=235/1.47=160MPa 所以有限元分析得出的结构要求最大应力必须小于许用应力 =160MPa。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 17 3.5.2 结果分析 1） Von Mises应力等值线图（单位： MPa以下相同） 图 3-6 Von Mises 应力等值线图 2） X 方向变形图（单位： mm 以下相同） 图 3-7 X 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 18 3） Y 方向变形图（单位： mm 以下相同） 图 3-8 Y 方向变形图 4） Z 方向变形图（单位： mm 以下相同） 图 3-9 Z 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 19 5） 总变形图（单位： mm 以下相同） 图 3-10 总变形图 3.5.3 应力分析 由 Von Mises 应力等值线图可以看到，最大应力为 136.14MPa，最小应力很小，这么小的应力可以忽略不计。按第四强度理论 max 。其中 =160MPa 这是前面已经计算过了的，应力满足条件。 3.5.4 变形分析 由变形图可以看到最大变形量是 1.252mm， X 方向的最大变形量是 0.13675mm，Y 方向的最大变形量是 0.84708mm， Z 方向的最大变形量是 1.2415mm。最小变形量是 0mm。变形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。由数据可以看出，显然是不满足要求的。 3.6 本章小结 本章主要内容是详细介绍在设计过程中的三维实体模型的建立，确定有限元 分析中的单元选择，网格划分方法，载荷的施加，约束的施加，接触的设置以及用分析软件对模型进行分析并得出结论。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 20 本章介绍了模型建立过程中的注意点以及简化模型建立的原则，让读者能了解三维实体建模的整个过程。在有限元分析得出分析图之后，通过 XYZ 三个方向的变形以及应力图，来判断所建模型是否满足强度和刚度的要求，如果不满足则需要改进机构，假如满足要求了，还要从节省材料成本的角度上看，在不影响压力机功能的前提下是否可以去除一些不必要的部分。有限元分析是都是不考虑圆角和倒角的，所以还要将应力集中问题考虑在内。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 21 第四章 机身结构改进 4.1 优化分析 一般来说，正规的设计方法，往往取决于各种因素的作用，提出一种初始方案，然后对其进行数值分析，使其满足强度、刚度、稳定性及可靠性和寿命等要求的预期目标，然后反复修改方案，使其具有较好的使用性能，并力求节省材料和能源，经济而具有竞争力。 机身的优化原则是：通过改变机身板的厚度，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： x1mm y1mm z1mm。 4.2 优化方案一 由图所示， Y、 Z 方向变形比较大， X 方向变形比较小。所以针对 Y、 Z 方形变形，在中间板的圆柱凸台上加上四根加强筋，以减小其方向上的变形。 1） Von Mises 应力等值线图 图 4-1 Von Mises 应力等值线图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 22 2） X 方向变形图 图 4-2 X 方向变形图 3） Y 方向变形图 图 4-3Y 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 23 4） Z 方向变形图 图 4-4 Z 方向变形图 5） 总变形图 图 4-5 总变形图 优化方案一的最大应力为 137.33MPa， Y 方向的变形减小了 0.30253mm， Z 方向的变形减小了 0.1319mm， X 方向的变形略微减 小。但变形量依旧过大，不符合要求。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 24 4.3 优化方案二 根据 Z 方向的变形过大的问题，所以减小中间板上凸圆的长度至 300mm，同时加强筋的长度也随之减小到 230mm。以此达到减小 Z 方向变形量过大的目的。 1） Von Mises 应力等值线图 图 4-6 Von Mises 应力等值线图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 25 2） X 方向变形图 图 4-7 X 方向变形图 3） Y 方向变形图 图 4-8 Y 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 26 4） Z 方向变形图 图 4-9 Z 方向变形图 5） 总变形图 图 4-10 总变形图 通过优化 Z 方向的变形明显变小 ，最大为 0.74213mm。压力机的总变形小于1mm，该压力机合格。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 27 4.4 优化方案三 由方案二可知，在明显确保压力机合格的前提下，可以看出前板的厚度偏厚，浪费的材料。考虑到材料的节省问题，将 120mm的前板改为 80mm，再在其后加强小块厚 60mm的板块。 1） Von Mises 应力等值线图 图 4-11 Von Mises 应力等值线图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 28 2） X 方向变形图 图 4-12 X 方向变形图 3） Y 方向变形图 图 4-13 Y 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 29 4） Z 方向变形图 图 4-14 Z 方向变形图 5） 总变 形图 图 4-15 总变形图 虽然变形量略微变大，但仍在合理范围内。而在保证了压力机合格条件的同时， 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 30 质量减小到 25912kg，大大的节省了材料。 4.5 优化方案四 由于压力机机身的强度和刚度都达到了要求，现在就是考虑如何减轻质量，在机身强度和刚度依然满足要求的前提下。所以，减小底座的面积，进一步的减少材料。 1） Von Mises 应力等值线图 图 4-16 Von Mises 应力等值线图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 31 2） X 方向变形图 图 4-17 X 方向变形图 5） Y 方向变形图 图 4-18 Y 方向变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 32 4） Z 方向变形图 图 4-19 Z 方向变形图 5） 总变形图 图 4-20 总变形图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 33 方案四的最大变形量为 0.98281mm，仍然满足最大变形量小于 1mm 的条件。并且最大应力小于许用应力。同时最大程度的减小了质量，节省了材料。 4.6 选择最佳优化方案 将四个优化方案的最大应力，最大变形以及质量的减少量进行对比，选择最优化方案。如表 4-1 所示。 表 4-1 优化方案数据 方案 最大应力 (MPa） 最大变形 (mm) 质量减小量 (kg) 优化方案一 137.33 1.228 -125 优化方案二 137.82 0.7576 183 优化方案三 134.19 0.89737 1765 优化方案四 55.217 0.98281 2108 经过比较得知，方案四节省的材料最多，而且应力应变也在合理范围内，所以这个方案是在机身强度刚度下降的前提下进行的。优化方案三的应力和变形也是符合条件的，但是却没有达到节材料的目的。由于在计算轴承孔受力的时候，已经考虑考了动载荷系数和安全系数，所以只要应力和应变满足许用条件即可，因而从降低成本的角度考虑，选择优化方案四。 4.7 本章小结 优化设计最重要的是遵循优化准则， 优化设计中评定方案是否达到最优，通常会用产品设计中的某项或几项设计指标，如质量指标、性能指标、重量指标、或成本指标。原有结构的应力和变形较小 , 其结构尺寸有减小的余地。优化后的压力机机身虽然变形有所增大 , 但总体较小 , 而应力比原来的有所降低 , 更有利于应力场的均匀化 。 改进后的箱体重量降低 2108kg。可以较大地降低成本 , 大大提高经济效益。 优化设计过程中最重要的是要掌握设计方法，不仅能提高效率，而且可以设计出更加优秀的产品。 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 34 第五章 机身的模态分析 5.1 模态分析概述 5.1.1 模态分析理论基 础 假设系统是线性、定常与稳定的线性时不变系统。振动系统从空间角度分为离散系统和连续系统，从时间角度分为连续时间系统和离散时间系统。研究步骤分为三步：建立结构的物理参数模型，即以质量、阻尼、刚度为参数的关于位移的振动微分方程；研究其特征值和特征矢量，得到结构的模态参数模型；通过研究受迫动力响应问题，可得到系统的非参数模型。 随着压力机工作速度的提高，其动态性能和振动问题的分析愈来愈重要。单纯的静态设计和经验设计已不能完全满足工程实际的要求。模态分析通过确定多自由度系统的固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和 模态阻尼比等模态参数，可以预估它在工作状态下的振动情况，并且能够发现过大的振动、过高的噪声等一些不正常的响应。通过模态分析，可识别载荷的谱别和来源，找出有害的振型和节点位置，在此基础上通过改变系统的局部结构 ,使系统按所要求的方向改变其动态特性，从而达到符合要求的动态强度、动态刚度的要求。工程结构要具有与使用环境相适应的动力学特性。一个机床结构优劣的基本着眼点不光是其强度、刚度方面的静态特性，而且应该注意弯曲和扭转方面的动态性能。如果机床动力学特性不能与其使用环境相适应，即结构模态与激励频率耦合会使机床产生共 振，严重时会使整个机床发生抖振，机床噪声过大，局部产生疲劳破坏等。 5.1.2 模态分析原理 将 线性定常微分方程 组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立 方程 ，以便求出系统的模态参数。坐标变换的矩阵 为模态矩阵，其每列为模态阵型。 模态分析 最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据 。 因为结构振动特性决定了其对于任何动力载荷的响应，所以在进行其他任何动力学分析之前，建议先进行模态分析。 振动模态是弹性结构固有的 、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 35 构在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。 模态分析技术从 20世纪 60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱。模态分析作为一种 “逆问题 ”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。 5.2 对机身进行模态分析 为了知道机身结构在某一受影响的频率范围内的各阶主要模态的特 性，测出在此频率段内各种振源作用下压力机机身的共震响应，需要对机身进行自由模态分析。 5.2.1 自由模态描述分析 通过 ANSYS Workbench对机身进行模态分析，由于该压力机前六阶为刚体模态，所以前六阶的频率几乎为 0。图 5-1 至图 5-4 是机身 自由 模态分析的前十阶振型 图 。表 5-1 为其自由模态下振型变化。 图 5-1 一阶 自由 模态 振型 图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 36 图 5-2 二阶 自由 模态 振型 图 图 5-3 三阶 自由 模态 振型 图 周鹏 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计 37 图 5-4 四阶 自由 模态 振型 图 表 5-1 自由 模态 下各阶振型 阶数 频率（ Hz） 振型 一 阶 37.524 机身沿 Y 轴扭动，两侧板下部分 X 轴摆动 二阶 41.46 机身前后板和中间板的下部分沿 Z 轴摆动 三阶 42.141 机身沿 Y 轴扭动，左右侧板沿 X 轴摆动 四阶 56.843 机身左右侧板和中间板沿 X 轴摆动，后板沿 Y 轴扭动 5.2.2 约束模态描述分析