MP160型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计论文

扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目 MP160 型双主机大梁冲机身结构 有限元分析及优化 设计 学 生 姓 名 刘惠斯 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械 81001 指 导 教 师 郑 翔 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 MP160 型 双主机大 梁冲机身 结构 有限元分析及优化设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 生： 刘惠斯 指导教师： 郑 翔 完成日期： 2014 年 6 月 2 日 扬州大学 广陵 学院 I 中文摘要 压力机是生产大型模锻件的重要加工设备 。本文以 MP160 压力机机身为研究对象 ， 利用有限元分析软 ANSYS, 在压力机机架满足足够的 应力 条件下， 进行优化，对于 缩短产品开发周期，提高产品质量，降低制造成本，增强企业竞争力 具有重要意义 。为提高压力机产品的性能、质量和寿命降低产成本提供科学计算分析的依据从而能够增强其 产品在市场的竞争力。其主要内容如下： 1、对 MP160 型 压力机机身 进行三维实体建模； 2、了解 MP160 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； 3、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； 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； 5、对 机身 模型进行模态分析，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。 最后对论文的研究内容进行总结和展望。 关键词： MP160,有限元 ,ANSYS 软件，优化设计 II Abstract The press is an important processing equipment for the production of large forgings. In this paper, MP160 press frame as the research object, using finite element a nalysis software ANSYS, optimization in the press frame satisfy the stress conditions, adequate, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. In order to improve the performance, quality and service life of press products reduce costs and provide scientific analysis basis so as to enhance the competitiveness of its products in the market. The main contents are as follows： 1. for the 3D solid modeling of MP160 press frame； 2. understanding of MP160 press the nature of the work and work state； analysis of the work load, boundary conditions and loading scheme； 3. mesh, static finite element analysis, the stress and strain distribution of the fuselage ； 4. according to the analysis results, the stress concentration risk areas to take measures to improve the stress condition； in the low stress area, changing the size variables, in order to reduce the overall quality of components of the objective. Re for finite element analysis, test after changing the size of stiffness and strength. The above steps are repeated, until obtaining the best scheme. 5. the free modal analysis on the model, solving the natural frequencies and corresponding vibration modes of dynamic parameters, and analyzes its influence on the working condition of the. Finally, the research contents of this paper is summarized and prospected. Keywords:MP160 ， finite element analysis ， ANSYS， optimization design III 目录 中文摘要 . I Abstract .II 第一章 绪论 .1 1.1 压力机发展的现状 .1 1.2 有限元法的介绍 .2 1.3 ANSYS 软件的介绍 .3 1.4 本课题来源及研究的目的和意义 .4 1.4.1 课题来源 .4 1.4.2 研究的目的和意义 .4 1.4.3 本课题需要研究的内容和要解决的问题 .5 第二章 压力机机身的静态分析 .7 2.1 机身简介 .7 2.2 有限元模型的建立 .7 2.2.1 单元类型的选取 .8 2.2.2 添加材料常数 .8 2.2.3 网格的划分 .8 2.2.4 边界条件的施加 .9 2.3 计算结果分析 . 11 2.3.1 应力和变形要求 . 11 2.3.2 应力图形显示 .12 2.3.3 变形图显示 .12 2.3.4 应力分析 .15 2.3.5 变形分析 .15 2.3.6 讨论 .16 第三章 机身结构的优化 .17 IV 3.1 优化分析 .17 3.2 优化方案： .17 3.2.1 优化方案一 :.17 3.2.2 优化方案二： .20 3.2.3 优化方案三： .24 第四章 机身模态分析 .28 4.1 模态分析概述 .28 4.2 机身的模态分析结果 .29 4.2.1 机身自由模态图 .29 4.2.3 机身约束模态图 .33 第五章 结果 .38 5.1 计算结果分析 .38 5.2 对应力以及变形进行综合优化分析后所得的结论 .38 第六章 结论与展望 .40 6.1 结论 .40 6.2 展望 .40 致谢 .42 参考文献 .43 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 1 第一章 绪论 1.1 压力机发展的现状 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。 压力机在锻压设备中起重要作用，早期人们对机身的研究是采用材料力学的方法，计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变形， 将机身简化成材料力学中的杆件或杆件组合，其计算结果是非常粗糙的，很难说明问题。设计者为了保险，往往加大安全系数，结果使得设备非常笨重，既增加了成本，又浪费了原材料 2- 4。 如今， 采用有限元分析软件 ANSYS可以对机身进行模态分 析 5.它通过确定多自由度系统的固有频率、固有振型、模拟质量、模态刚度和模态阻尼比等模态参数，可以预测工况下的振动情况，便于找出过大的振动、过高的噪声等一些不正常的响应。通过模态分析可以找出有害振型和危险区域的节点位置 6,由此指导改进系统的局部结构，改善其动态特性，使之满足动态强度和刚度的要求。夏敏，向华，庒新村认为伺服压力机作为新一代的成形设备在板料成形领域已经进入实用阶段，正日益发挥重要作用。它解决了传统压力机滑块运动特性单一、压力不易控制、工艺适应性较差的问题，不仅适用于典型的板料成形工艺，而且 满足了日趋复杂的板料成形新工艺的需要。但是伺服压力机主要赖于经验和实践，缺乏相关理论的指导，以及其成本较大 7。谢鹏认为交流伺服电机驱动的压力机可大大提高设备的自动化、智能化水平，改善压力机的工作特性，是新一代成形设备的发展方向。国外发达国家已经投入研制使用阶段，而目前国内这一技术尚比较落后 8。阳林、潘晓涛指出国外数控压力机的应用已经进入普及和成熟的阶段。美国在 1978 年至 1983 年间共产生数控压力机约六万台，相当于美国全部压力机总数的 20%左右 9。 在国内，数控压力机的研制工作起步较晚， 水平也较低。金风明、窦志平、韩新民等人认为我国压力机制造自 80 年代开始，通过技术引进，合作制造和自主创新等模式积极吸收、消化国外机械压力机先进设计及其制造技术，目前已经完全掌握机械压力机设计和制造技术。如今，随着我国经济的快速增长，对高精度、高效率的大型伺服压力机的需求不断增加。伺服压力机的发展将会朝着柔性化、智能化、 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 2 节能性好、精度高的方向发展 10 。 1962 年 6 月我国实验生产了第一台 12000 吨水压机，主要设计标准是机身的强度与刚度，由于受力情况较复杂，在当时的设计水平只能采用近似法，即按照简支梁的负 荷进行核算 。张祖芳等对开式压力计机身进行三维有限元分析，根据分析结果进行机身的结构改进和优化，既提高了机身强度、刚度和角度刚，又减轻了机身重量 。王俊领等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的问题 。史宝军等分析了开式压力机床身的结构特点，然后介绍了应用有限元法对开式压力机机床身的结构特点，然后介绍了应用有限元法对开式压力机床身进行结构分析时的力学模型简化方法，并结合若干工程实例，对开式压力机床具进行了有限元分析与结构优选，取得了既减轻床具重量、又提高强度和刚度的显著效果，为 结构的合理设计与改进提供了可靠的理论依据。 国外对压力机的机身也有大量的研究，德国的 M.Neumann 和 H.Hahn 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 11。丹麦的 M.Arentoft， M.Eriksen 和T.Wanheheim 设计了一种压力机实验来确定压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 12。显示器可以显示出压力机的压制次数、每次的压制压力、油漏、循环周期等十多个参数 13。 1.2 有限元法的介绍 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。 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 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 3 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。 1.3 ANSYS 软件的介绍 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 14。 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 15 。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 16。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 17。 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 提供了实验数据，为这种类型的压力机设计改进提供了参考 18 。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 4 1.4 本课题来源及研究的目的和意义 1.4.1 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 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，增强其产品的市场的竞争力。该设备的主要的参数如下： 型 号 : MP160 公 称 压 力 : 1600KN 标准行 程次数 : 25mm 行程 50 次 /分 机身材料是 Q235A，密度 =7800kg/m3 许用角变形 =1200 微弧； 该公司以往的压力机是利用传统设计方法，设计方案只是根据经验所提出，没有经过实验校核和有限元分析，可能导致刚度、强度的不足、材料多余等问题，本论文结合现代设计方法，借助有限元分析工具对 MP160 压力机机身做有限元分析和优化。 1.4.2 研究的目的和意义 课题的目的：利用有限元软件对压力机机身进行结构优化设计，在满足压力机机身的强度和刚度的基础上改善压力机的形状，达到总体结构轻量化和最优化 的目标。我国压力机的分析水平还不高，长期以来还停留在材料力学的方法上，将机身简化成杆梁结构，许用应力大多来自经验。对机身的有限元分析大多限于静态分析，而动态方面研究做得很少。随着电子技术、计算机技术与机床技术的结合，使得分析设计的内容更加完善化、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。 课题的意义：随着我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。我国目前压了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 度和精度都不高，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 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 5 力机领域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和手段，利用有限元法进行静态、动态特征的计算，对压力机机身做全面的分析优化。同时，对压力机的优化方法进行优化方法探索，实现真正意义上的设计。 1.4.3 本课题需要研究的内容和要解决的问题 （ 1） 研究的内容 本文要求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： 1） 对 MP160 型 压力机机身 进行三维实体建模； 2） 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； 3） 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； 4） 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。 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。 （ 2）技术要求 1） 要求校核 MP160 型 压力机在承载条件下的刚度和强度。 2） 要求在保证液压机强度和刚度的条件下对液 压机主要部件进行优化设计。 3） 分析液压机的模态，并对液压机的工作状况进行评估。 （ 3）方案定制 1）阅读图纸 ，根据分析对主板，主垫板，隔板，拖动架的结构进行适当、合理的 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 6 简化，然后运用三维造型软件 Solid Works，完成三维实体造型； 2） 熟悉并掌握有限元分析软件 ANSYS，将所建立的实体模型导入 ANSYS 中； 3） 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； 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； 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。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 7 第二章 压力机机身的静态分析 2.1 机身简介 机身是压力机的一个基本支撑部件，工作时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。 MP160 压力机机身为半开半闭的焊接加螺栓结构，左右基本对称，建构简图如图 2.1.1，主要技术规格如下： 型 号 : MP160 公 称 力： 1600KN 标准行程次数 : 25mm 行程 50 次 /分 图 2.1 压力机机身结构图 2.2 有限元模型的建立 在进行有限元分析之前，首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的结构分析模型或力学模型。为保证全面地反映机身的应力应变情况，同时使得有限元模型得到简化，确定以下建模规则： 1） 对于 明显不会影响机身整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角 等予以简化； 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 8 2） 认为焊接质量可靠，且不考虑焊接对各板传力的影响； 3） 将导轨看成自由界面，滑块与导轨之间无力的传递； 4） 地脚螺栓刚度无限大、不考虑地基及机身以外部件弹性变形。 2.2.1 单元类型的选取 用三维实体单元来描述机身结构，能反映机身的实际情况、在 ANSYS 软件里，三维实体单元有六面体单元和四面体单元两种。由于六面体单元在划分时要求结构规则，而对于机身这类较复杂的结构，对其进行六面体单元的自动划分十分困难。采用四面体单元分析三维结构，单元 划分比较灵活，可以逼近较复杂的几何形状。因此，本文计算时，采用单元 Solid45，该单元为四面体 8 节点三维实体线性单元，每个节点有三个移动自有度，同时指定单元边长，这样可以得到比较均匀的单元，从而节省计算时间。 2.2.2 添加材料常数 选用的机身材料为 Q235A，弹性模量 E=2.1E11Pa；泊松比 =0.3， Q235A，密度 =7800kg/m3 。 2.2.3 网格的划分 单元的划分遵循 “均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ”的原则，网格应细划的位置：喉口圆角处及主垫板，网格应粗划的位置是：左右侧板的绝 大部分及两侧板间的连接筋板等部位。 一般来说，网格数量越多越能反映实体的应力应变情况，提高计算的精度，但随着单元数的增加，计算量也越来越大，本文的单元大小为 50mm,细划部位采用的单元大小为 40mm,经过划分单元后，共有 136128 个节点， 81431 个单元。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 9 图 2.2 网格图 2.2.4 边界条件的施加 （ 1）载荷的施加 载荷的施加是有限元分析的重要环节，它直接关系到计算结果的真实性。已知该型压力机所受最大载荷即公称力 160KN,设备在工作时受到两个方向的载荷，一个是作用在液压缸的上表面，方向向上；另一个作 用在工作台上，方向向下。两力大小相等，方向相反。液压缸上表面和工作台上的载荷均是均布载荷。 （ 2） 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； 1920KN 的动载荷平均分布在工作台上，则 P=1600KN*1.2/（ 0.16*0.16） =75MPa。 缸上的载荷按均布载荷， P=1600KN*1.2/（ *0.1*0.1） =61MPa。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 10 图 2.3 工作台加载力示意图 图 2.4 缸上加载力示意图 （ 3） 边界的约束条件 施加边界约束条件是有限元分析过程的重要一环，边界约束条件的准确度直接 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 11 影响到有限元分析的结果。在有限元分析中确定边界条件一般应做到以下几条：要施加足够的约束，保证模型不产生刚体位移；施加的边界条件必须符合物理模型的实际工况；力求简单直观，便于计算分析。 在本文的静力分析中，对机座底部的所有自由度进行约束。 2.3 计算结果分析 2.3.1 应力和变形要求 （ 1）变形要求： mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2）要求 :材料为低碳钢，结构的破坏形式一般为塑性屈服。因而在强度分析中采用第三强度理论或第四强度理论。第三强度理论未考虑主应力 2 影响，可以较好的表现塑性材料屈服现象，适用于拉伸屈服极限和压缩屈服极限相同的材料。第四强度理论考虑了注意力 2 的影响，而且和实验较符合，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e（又称 Von Mises 等效应力）来评价。 第四强度的含义就是：在任何应力状态下，材料部发生破坏的条件是： e 许用应力， 安全系数 s 而 e = )()()(21 213232221 其中： 1 ， 2 ， 3 第一，第二，第三主应力 由前可知，机身材料为 Q235A， 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 1.5，则 = s /安全系数 =235/1.5=160MPa。 而我们所要的应力要求是： 160MPa。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 12 2.3.2 应力图形显示（单位： MPa，以下相同） 确定上述条件后，运用 ANSYS 软件求解，得出机身的位移分布图和等效应力分布图。 1） Von Mises 应力等值线图。 图 2.5 Von Mises 应力等值线图 2） Von Mises 局部图 图 2.6 Von Mises 局 部图 2.3.3 变形图显示 （单位： mm，以下相同） 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 13 1） X 方向变形图 图 2.7 X 方向变形图 2） Y 方向变形图 图 2.8 Y 方向变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 14 3） Z 方向变形图 图 2.9 Z 方向变形图 4）总体变形图 图 2.10 总体变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 15 2.3.4 应力分析 由总应力（图 2-4），可以看出：最大 Von Mises 应力为 111 MPa ，发生在候口处，也远远小于该材料的许应力。 2.3.5 变形分析 （ 1）候口处的角变形： 角变形 ta n /yuL 其中 ： yu为节点 Y 位移； L 为三角形 X 边长； 由图 2-14、图 2-15 可以看出： 角变形（上） =0.57987 3e m/0.6m=0.966 3e 弧 =966urad ； 角变形（下） =0.046139 3e m/0.27m=0.171 3e 弧 =171urad ； 角变形共计 =12=966+171=1137urad =aC aC=0.001gP 式中： aC机身的许用叫刚度， KN/urad ； gP压力机公称力 ， KN。 aC =0.001*1600=1.6 KN/urad （ 3）角刚度计算 aC = 1.2* 610 /gaP 其中 aC 机身角刚度， KN/urad ； gP压力机公称力， KN； a 机身的角变形 ， rad。 aC =(1.2*1600* 610 )/(1137* 610 )=1.69 KN/urad 1.6。 （ 3）沿 X 方向最大变形 0.623mm在油缸处，工作台沿 X 方向变形为 0.037mm。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 16 沿 Y 方向最大变形 0.612mm在油缸处，工作台沿 Y 方向变形为 0.0187mm。 沿 Z 方向最大变形 0.0514mm，在右侧板候口处 ,工作台沿 Z 方向变形为 0.00595mm。 位移最大值在液压缸和候口处为 0.775，最小值在工作台处为 0mm。 2.3.6 讨论 机身与垫板连接处直接承压情况 图 2.11 机身与垫板连接处 Von Mises 应力等值线放大图 如图所示，压力机最大应力出现在候口处，即 :最大 Von Mises 应力值为 111 MPa ，候口优先优化设计。而机身和垫板连接处最大 Von Mises 值为 98 MPa 。最大变形在候口和液压缸处，着重考虑候口处的角变形。 所以优化设计要围绕候口处展开。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 17 第三章 机身结构的优化 3.1 优化分析 通常，一个好的产品设计，往往是综合各种因素，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。 变形要求： x1mm y1mm z1mm。 3.2 优化方案： 3.2.1 优化方案一 : 为了减少材料，在原来方案的基础上将主板厚度减少 20mm。 1） 机身几何模型图 图 3.1 机身几何模型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 18 2） Von Mises 应力等值线图 图 3.2 Von Mises 应力等值线图 3） X 方向位移变形图 图 3.3 X 方向位移变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 19 4） Y 方向位移变形图 图 3.4 Y 方向位移变形图 5） Z 方向位移变形图 图 3.5 Z 方向位移变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 20 6）总体变 形图 图 3.6 总体变形图 1） 从结构在 Y 方向的全场应力等值线图（图 3-3）：最大应力为 132.76MPa，主要分布在候口处，大于许用应力。两侧板应力不大。从第四强度理论 Von Mises（图 3-3）应力等值线图可以看出，主板应力区域最大应力为 132MPa,出现在侯口处。 2） 从结构在 Y 方向的位移等值线图（图 3-4）可以看出：最大正变形为 0.60291mm， 在液压缸处，最小负变形为 0.18732mm，小于 1mm。总位移（图 3-6）可以看出最大变形为 0.81344mm，小于 1mm。 静态结构优化成功。 3.2.2 优化方案二： 在二方案的基础上，在候口处左右加外轮廓，轮廓厚度为 20mm，具体图形如图（ 3.7）所示。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 21 1）机身几何模型 图 3.7 机身几何模型 2） Von Mises 应力等值线图 图 3.8 Von Mises 应力等值线图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 22 3） X 方向位移变形图 图 3.9 X 方向位移变形图 4） Y 方向位移变形图 图 3.10 Y 方向位移变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 23 5） Z 方向位移变形图 图 3.11 Z 方向位移变形图 6）总体变形图 图 3.12 总体变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 24 从结构在 Y 方向的全场应力等值线图（图 3.8）可以 看出：最大应力为 129pa 左右，主要分布在候口处，小于许用应力。两侧板应力不大。 从结构在 Y 方向的位移等值线图（图 3.10）可以看出：最大正变形为 0.58141mm，在液压缸处，最小负变形为 0.18217mm，小于 1mm。总位移（图 3.12）可以看出最大变形为 0.78587mm，小于 1mm。 静态结构优化成功。 3.2.3 优化方案三： 在第二步优化的基础上加加强筋，把两侧主板切除一部分。 1）机身几何模型 图 3.13 机身几何模型 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 25 2） X 方向位移变形图 图 3.14 X 方向位移 变形图 3） Y 方向位移变形图 图 3.15 Y 方向位移变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 26 4） Z 方向位移变形图 图 3.16 Z 方向位移变形图 5） 总体位移变形图 图 3.17 总体位移变形图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 27 6） Von Mises 应力等值线图 图 3.18 Von Mises 应力等值线图 1）结构在 Y 方向全场应力等值线图（图 3.18）可以看出：最大应力为 132MPa 左右，主要分布在候口处，小于许用应力。 2）结构在 Y 方向位移等值线图（图 3.15）可以看出：最大正变形为 0.59977mm，在 液压缸处，最小负变形为 0.17656mm，小于 1mm。总位移（图 3.17）可以看出最大变形为 0.80457mm，小于 1mm。 静态结构优化成功。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 28 第四章 机身模态分析 随着压力机工作速度的提高，其振动问题和动态性能的分析愈来愈重要。 60 年代发展起来的模态分析技术，解决了静态分析难以解决的结构动力特性、模态参数识别、建模和从力学特性出发地结构优化等问题。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。如果机床的动力学特性不能与其使用的环境相适应，即结构模态与激励频率耦合会是机床产生共振，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。为此，提高压力机床身模态分析的 评价线索： 1压力机床身的弹性模态频率应避开电动机经常工作频率； 2. 压力机床身的低阶固有频率应避开压力机的工作频率； 该压力机的电动机转速为 1251250 转 /分，因此电动机的工作频率为2.0820.83HZ，压力机滑块行程次数为 50 次 /分，故压力机的工作频率为 0.83HZ，实际上压力机机身的各阶固有频率要远远大于压力机的工作频率，因此对于该机身的动态性能的优化即是尽量提高频率，从而进一步远离压力机的工作频率以及避开电动机经常工作频率。 4.1 模态分析概述 一般以振动 理论为基础、以模态参数为目标的分析方法，称为模态分析。更确切地说，模态分析是研究系统物理参数模型、模态参数模型和非参数模型的关系，并通过一定手段确定这些系统模型的理论及其应用的一门学科。 模态分析的最终目的是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。模态分析应用可归结为： 1.在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 29 2.诊断及预报结构系统的故障。 3.控制结构的辐射噪音。 4.识别结构系统的载荷 4.2 机身的模态分析结果 采 用有限元法，利用 ANSYS 模态分析，其过程基本与静态分析一致。因为前六 阶为刚性模态振型所以前六阶频率为 0Hz，所以我们从第七阶开始算第一阶。经过计算前十阶模态振型如图 4.14.10，固有频率如表 4.1。 4.2.1 机身自由模态图 图 4.1 机身第一阶自由模态振型图 图 4.2 机身第二阶自由模态振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 30 图 4.3 机身第三阶自由模态振型图 图 4.4 机身第四阶自由模态振型图 图 4.5 机身第五阶自由模态振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 31 图 4.6 机身第六阶自由模态振型图 图 4.7 机身第七阶自由模 态振型图 图 4.8 机身第八阶自由模态振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 32 图 4.9 机身 第 九阶自由模态 振型图 图 4.10 机身 第 十阶自由模态 振型图 表 4.1 机身无约束下频率及振型如下表： 阶数 频率（ Hz） 振型 1 129.71 Y 向扭转 2 147.1 X 向扭转 3 225.04 Y 向扭转 4 246.5 X 向扭转 5 275.18 机身主板后侧左右摆动 6 292.88 Y 向扭转 7 350.54 机身主板后侧左右摆动 8 378.25 Z 向弯曲 9 386.14 Y 向扭转 10 430.17 机 身底部 Z 向左右摆动 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 33 由图 4.1图 4.10 可以看出，在自由模态下，其振型总是在喉口处的振动和扭转， 且得出的机身的固有频率较高。其一阶频率约为 129.71HZ,远高于机床最高工作频率(0.83Hz),不会发生共振现象。 4.2.3 机身约束模态图 图 4.11 机身第一阶约束模态振型图 图 4.12 机身 第 二阶约束模态 振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 34 图 4.13 机身 第 三阶约束模态 振型图 图 4.14 机身 第 四阶约束模态 振型图 图 4.15 机身 第 五阶约束模态 振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 35 图 4.16 机身 第 六阶约束模态 振型图 图 4.17 机身 第 七阶约束模态 振型图 图 4.18 机身 第 八阶约束模态 振型图 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 36 图 4.19 机身 第 九阶约束模态 振型图 图 4.20 机身 第 十阶约束模态 振型图 表 4-2 机身有约束下频率及振型如下表 ： 阶数 频率（ Hz） 振型 1 34.22 Z 向左右摆动 2 95.445 Y 向扭转 3 105.58 X 向摆动 4 174.9 Z 向摆动 5 269.04 Y 向摆动 6 277.71 机身主板后侧左右摆动 7 282.67 机身主板后侧左右摆动 8 300.74 X 向扭转 9 340.33 Y 向扭转 10 354.19 机身主板后侧左右摆动 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 37 由图 4.11图 4.20 在约束模态下，其振型总是在喉口处的振动和扭转，且得出 的机身的固有频率较高。其一阶频率约为 34.22HZ,远高于机床最高工作频率 (0.83Hz),不会发生共振现象。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 38 第五章 结果 5.1 计算结果分析 压力机机身 3 种方案下的计算结果如下： 表 5.1 方案 应力（ MPa） 变形（ mm） 角变形（ urad ） 最小应力 最大应力 最大变形 候口处 1 0.015315 111.25 0.515 1175 2 0.012955 132.76 0.603 1242 3 0.016860 129.56 0.581 1231 4 0.038774 132.53 0.599 1172 本章比较各种方案的优劣， 得出最佳方案。 各种方案节省材料的对比 表 5.2 方案 材料的体积 (m3) 节省的材料 (m3) 节省的重量 (kg) 1（原方案） 0.98881 0 0 2 (主板少 20mm) 0.86729 0.12152 947.9 3（侯口处加外轮廓） 0.87376 0.11505 897.4 4（加加强筋和两侧主板切除一部分） 0.86501 0.12380 965.6 Q235A 比重为 7800 3/kg m 5.2 对应力以及变形进行综合优化分析后所得的结论 公司希望在满足候口角变形的基础上，保证液压缸的强度和刚度，并要求减轻重量，通过对以上三种方案的计算，比较发现： 第一种方案（主板厚 132mm），基本合符公司的要求。 第二种方案（主板厚 112mm，其他不变），大大减轻了机身的重量。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 39 第三种方案（主板厚 112mm，加外轮廓），候口处的角变形合符要求，并减轻了机身的重量，基本合符要求。 第四种方案（主板厚 112mm，工作台加加强筋，底座减少材料），候口处的角变形合符要求，并减轻了机身的重量，基本合符要求 通过对压力机有限元模型的分析计算和优化，为满足角变形小，节省材料、方便安装的要求，综合各种条件的情况下我认为最理想的方案为第四套。其依据是：第四套方案角变形最小，角刚度最大，最大应力和最大变形 也最小，并大大减轻了机身的重量。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 40 第六章 结论与展望 6.1 结论 以计算机技术为基础的先进技术，已成为一个企业具有竞争力、在市场经济中生存和发展以及一个国家兴旺发达的支柱。本文利用有限元法，对 MP160 压力机的机架进行了结构分析和优化设计。也取得了一定的研究成果，具体的研究结果如下： 1）运用 soildwork 软件，建立的 MP160 压力机的三维模型，并应用与有限元分析中。通过 ANSYS 软件将模型进行网格划分，给出约束条件、边界条件和载荷条件。 2）通过 ANSYS 得到压力机机身各结构应力、位移变形图，并加以分析。得出应力集中区域在喉口处。 3）通过减少机身厚度，喉口处加厚以及加加强筋的方式优化，在机身应力和总变形符合要求的前提下，减少机身材料。 4）运用 ANSYS 对压力机进行了模态分析，了解它的稳定性能。发现其振型总 是在喉口处的振动和扭转，且得出的机身的固有频率较高，不会发生共振现象。 5）分析优化后的压力机的各结构应力、位移变形以及总体质量得出最优方案。 6.2 展望 我所做的是压力机的静力学分析以及模态分析，不能完全反应压力机在各找那个工作情况下的应力、变形变化 情况。为了更好的反应在各种情况下机身是否符合安全性要求，因此，我希望做如下改进： 1）建立一个科学、准确、高效的有限元模型。有限元法作为一种数值计算方法，其计算结构存在误差。在本论文中所做工作，对于各部件有限元模型的建立均为软件自动进行的划分。如何针对具体分析的对象，建立好的有限元模型，使计算结果的误差最小，计算效率最高，是仍须认真研究的问题。 2）对于整机进行的模态分析，因为机身是由各零部件组合而成，零部件之间的刚度、阻尼都是很大的影响因素，整机的分析是机床分析的重点，计算结果更加准确。 刘惠斯 MP160 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 41 3）除此之外，我们还应对机身工作过程进行 动态 、谐响应，变形预补偿设计分析，这些进一步的分析，能更好的保证机身的安全性、可靠性，得出