MT200压力机机身结构有限元分析及改进设计【优秀】

  本科生毕业设计                毕业设计题目     MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计                                                  学  生  姓  名                                                          专       业                                                         班       级                                                                        指  导  教  师                                                   完  成  日  期                                                              毕业设计（论文）前期工作材料   学生姓名：                    学号：                      系     部：                                                  专     业：                                                    设计（论文）题目：   MT200 压力机机身结构有限元                                                      分析及改进设计                                     指导老师：                                                   材   料   目   录  序号  名           称  数量  备注  1 毕业设计（论文）选题、审题表  1  2 毕业设计（论文）任务书  1  3 毕业设计（论文）实习调研报告  1  4 毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）  1  5 毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）  1  6 毕业设计（论文）中期检查表  1                                                          年     月   日     毕业设计（论文）选题、审题表  学  院    选  题  教  师  姓名    专  业     专业技术 职务    申报课题名称  MT200 压力机 机身 结构 有限元分析及改进设计  课题性质              课题来源  A B C D            课题简介  本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。 MT200 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 MT200 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。  本课题的目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决工程中的实际问题的能力；培养学生调查研究以及资料、信息获取和分析的能力；培养学生在设计过程中使用计算机的能力；培养学生撰写论文的能力；培养学生创新能力和创新精神。  通过本课题的研究，使学生能够掌握有限元建模、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。  设计（论文）  要    求  （包括应具备的条件）  技术要求：  （ 1）  要求校核 MT200 型 压力机在承载条件下的刚度和强度；  （ 2）  要求在保证压力机强度和刚度的条件下对压力机主要部件进行优化设计；  （ 3）  分析压力机的模态，并对压力机的工作状况进行评估。  具备条件 ：  (1) 机房提供学生完成课题所需计算机和有限元分析软件 ANASY；  (2) 扬州大学图书馆提供学生所需资料。  课题预计  工作量大小  大  适中  小  课题预计  难易程度  难  一般  易         所在专业审定意见：    负责人（签名）：  年     月    日  院主管领导意见：                                               签名：            年     月     日      毕业设计（论文）任务书     系     部：                                                       专     业：                                                          学生姓名：                     学号：                        毕业（论文）题目：   MT200 压力机 机身 结构                 有限元分析及改进设计                    起    迄   日   期：                                                                设计（论文）地点：                                        指   导    老   师：                                                                      专  业  负  责   人：                                                                               发任务书日期：     毕业设计（论文）任务书  1、本毕业设计（论文）课题应达到的目的：  本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。 MT200 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 MT200 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。  本课题的目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决工程中的实际问题的能力；培养学生调查研究以及资料、信息获取和分析的能力；培养学生在设计过程中使用计算机的能力；培养学生撰写论文的能力；培养学生创新能力和创新精神。  通过本课题的研究，使学生能够掌握有限元建模、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、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：  2.1 任务内容  要求运用有限元 分析软件 ANSYS 对 MT200 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 MT200 型 压力机机身 进行三维实体建模 ；  （ 2）  了解 MT200 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。 （这项选做 ） ；  （ 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。    2.2 原始条件及数据  该设备的主要参数如下 : 型         号 :  MT200；  公   称  压  力 :  200KN；  标准行程次数 : 1250 1250；  机身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ；  许用角变形 980 微弧；  其他数据（材料等）见图纸。  2.3 技术要求  （ 4）  要求校核 MT200 型 压力机在承载条件下的刚度和强度。  （ 5）  要求在保证压力机强度和刚度的条件下对压力机主要部件进行优化设计。  （ 3）   分析压力机的模态，并对压力机的工作状况进行评估。  2.4 工作要求  （ 1）  在深刻领会任务内容及要求的基础上，查找相 关的文献资料。（ 20 篇以上，除了教师已列出的文献），通过查阅文献资料认真研究原始材料，写出开题报告；  （ 2）  进行理论学习、上机操作、数据处理、分析总结、整理资料，完成与任务书要求相应的工作，并撰写成毕业论文，独立完成毕业设计的各项工作；  （ 3）  毕业论文或设计说明书需符合规范化要求，即：由中外文题名、目录、中外文摘要、引言（前言）、正文、结论、谢辞、参考文献和附录组成，中文摘要在 400 汉字左右，外文摘要在 250 个实词左右，中文题名字数一般不超过 20 个，设计说明书、论文或软件说明书的总字数在 1.52 万汉字；  （ 4）  完成英译中资 料一份；  （ 5）  毕业设计必须按时按量在规定的地点认真完成。           毕业设计（论文）任务书  3、对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计论文、  图表、实物样品等）：  （ 1） 完成实习调研报告一份；  （ 2） 完成开题报告一份；  （ 3） 完成按本任务书第二项内容所述要求撰写研究论文 一篇 ，篇幅不少于 2 万字；。  （ 4） 完成英译中资料一份， 不少于 5000 字符 。  4、主要参考文献：  1 梁森 .开式数控回转头压力机机身的有限元分析及优化 D:硕士学位论文 . 山东：山   东工业大学机械系， 2001. 2 雷小宝 .新 型数字化压力机的研制 D： 硕士学位论文 .合肥：合肥工业大学， 2007. 3 张祖芳 .开式压力机机身的有限元分析及优化设计 D:硕士学位论文 .南京：东   南大学， 2004. 4 周平 .新型压力机机身有限元分析及优化 D:硕士学位论文 .南京：南京理工大学，2007. 5 江克斌 , 屠义强 , 邵飞 .结构分析有限元原理及 ANSYS 实现 . 北京 : 国防工业出社 . 6 高耀东 , 郭嘉平 .ANSYS 机械工程应用 25 例 . 7 刘茜，董正身，基于 ANSYS 的 C 型液压机机身有限元分析，机械设计与制造， 2006，1001-3997 8 刘强，付文智，李明哲 .三梁四柱式多点成形压力机机架结构有限元分析和优化设计 .塑性工程学报 .2003,10(5) 9 傅志方，华宏星 .模态分析理论与应用 .上海 :上海交通大学出版社 ,2000  10 张洪武有限元分析与 CAE 技术基础 M北京：清华大学出版社， 2004 11 傅永华有限元分析基础 M武汉：武汉大学出版社 ,2003 8  12 侯晓望 , 童水光 . 基于有限元分析的液压机结构优化 J. 浙江大学学报 , 2005, 4:   46-48 13 尚晓江 , 邱峰 .ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用，北京 :中国水 利水电出版社 ,2008 14 王文玷，田保杰   科技论文写作与发表   北京：国防工业出版社 . 15 尚晓江等 . ANSYS 结构有限元高级分析方法与范例应用 .中国水利水电出版社 .2006.1 16 章争荣，孙友松等，开式数控回转头压力机机身结构及其对刚度的影响，锻压机械，2001， 3 17 钟志华，周彦伟 . 现代设计方法 .武汉理工大学出版社 .2001.8. 18 雷小燕 .有限元法 .中国铁道出版社 .2000.10 19 龚曙光 .ANSYS 基础应用及范例解析 .机械工业出版社 .2003.1          毕业设计（论文）任务书  5、本毕业设计（论 文）课题工作进度计划  起止日期  工  作  内  容   第 1-2 周：   第 3-4 周：  第 5-7 周：   第 8-10 周：   第 11 12 周：   第 13-15 周：    收集阅读与课题有关的中英文资料 15 篇；  翻译英文资料  ；  毕业实习，并完成实习报告；  调查研究、分析课题，提交开题报告；  有限元软件（ ANSYS）操作练习；  对压力机机身进行有限元建模研究；  结构分析，有限元计算，数据处理；  给出优化方案及分析结果  。  撰写毕业论文  。  对所做工作进行总结、分析、做 PPT,准备毕业答辩   。   所在专业审核意见：     负责人：                 年      月      日   学院意见：        院长：    年    月    日    实习 调查 报告   -观江苏扬力集团有感   4月 9号下午星期三下午在老师的安排下，我们参观了扬州扬力集团。让我们真正见到了实际的生产加工过程，开拓了视野。大学四年一直注重理论的学习，如今有机会与实践进行零距离接触，感触 很多。  扬力集团位于长三角沿江工业走廊核心区域的扬州经济开发区内，集团注册资本总额 1亿元，占地总面积 1500亩，固定资产总值 7.5亿元，集团以江苏扬力 集团有限公司（前身为扬州第二锻压机床厂）为母公司，辖有扬力集团数控公司、扬力集团液压公司、扬力集团重  型公司、江苏扬力铸锻公司、扬力集团精机公司等 5家子公司。  此次，我们主要参观了数控机床生产车间，通过公司负责人的介绍，我了解了扬力集团数控公司长期致力于数控机床的开发与研究，主要产品有 MP系列 30T-50T 液压数控转塔冲床、 EP20系列全伺服数控转塔冲床； MB 系列电液伺服同步数控折弯机； MS系列数控剪板机； AP1212系列汽车纵梁平板数控冲柔性加工单元以及 ML系列数控激光切割机并且长期致力于冲、剪、折、 激光等各类中高  档金属板材加工机械的研发、生产和销售，产品广泛应用于航空、汽车、军工、电器、五金、造币等生产领域，并远销欧美、东南亚等几十个国家和地区。  在完善现代企业制度的进程中，杨力集团凸显出生产规模化、发展专业化、管理规范化、营销网络化、研发系列化、产权自主化、服务优质化、员工知识化的特点，并通过管理求新、技术创新、设备更新，以及集品种、品质、品位于一体的 “三品战略 ” ，赢得了科技优势、质量优势和市场优势。近 3年来，集团销售总额连续  三年占据国内同行业榜首，先后获 “江苏省百强重点高新技企业 ”“国家重点 高新技术企业 ”“国家级邗江数控金属板材加工机械产业基地骨干企业 ”和 “中国机械 500强 ”等称号，  “扬力 ”商标也被评为中国驰名商标。  随着半闭式压力机在家电制造业的热销与普及，一些使用高精度进口设备的用户纷纷向扬力提出开发效率更快、精度更高的冲压设备要求。在此基础上，扬力采  用预应力机身结构和动平衡技术，一举克服了床身震动引起的机械变形弊端，大大提高了床身下死点重复定位精度，同时使冲压速度在此前改进设备 250次 /分钟的基础上再增加一倍，达 500次 /分钟，该产品不仅性能达到国际同类设备先进水平，而且造价仅为同类进 口设备的三分之一。  拥有全球电脑机箱 “制造王国 ”之称的富士康集团是国内精密冲压设备的重点用户之一。它们原采用台湾、日本和欧洲进口设备，经过充分考察，富士康于 2005年一次性投入亿元资金，向扬力集团购进 400多台套组合型压力机，充实到其在深圳、太原、烟台、昆山的四大生产基地，创下了当年国内压力机领域最大的单项订单，相当于扬力集团当时的年度销售总额。此后，海尔、格力、美的等知名电器制造企业也开始陆续选用扬力设备替代进口产品。  为进一步提高我国重大装备国产化水平，扬力发挥多方面技术优势，实施国内外产、学、研合作， 近年来，扬力分别开发研制出 YL89型汽车纵梁成型液压机， JS36系列 2500KN-25000KN高性能闭式双点压力机， HPC系列三圆导柱高速精密压力机，T30数控转塔冲床， MB系列数控折弯机， MS系列数控剪板机， MC系列数控激光切割机，大型伺服三坐标多功位压力机等填补国内空白的新产品。目前扬力已形成 20多个系列， 400多个高、中、普档压力机、折弯机、剪板机、激光切割机、自动成型机等金属板材加工设备制造体系，拥有 70多项新产品、新技术专利，有 32项产品获国家和省市科技成果奖，其中 18项高新技术产品国内首创，经 科技部门组织鉴定，其产品性能均达国内领先和国际同类产品先进水平，其中大部分被列为国家和省 “星火计划 ”、 “火炬计划 ”或替代进口重大科研成果项目。部分产品相继出口日本、俄罗斯、美国、加拿大等二十多个国家和地区，年外贸收购额达 6亿元人民币，使我国多项中、高档板材加工设备实现了由进口到出口的重大历史转折，而扬力也连续 3年被列为全国锻压机床行业排头兵企业。  从这次的经历中，让我明白了只有实践才能让我们提高，学习书本的知识，是为了在实践中运用，在从中体会总结经  验，提高自身技能和实战经验。学习理论是为实践做准备，掌握好 理论原理，才能在实践过程中不盲从，或者不知所云。什么事情都是在摸索中前进，不怕跌倒  不怕疼痛，站起来继续前行。通过这次生产实习，进一步巩固和深化所学的理论  知识，弥补以前单一理论教学的不足，为毕业设计打  好基础，学到了很多自己以前不懂的知识，也从单位的员工身上学到了很多道理。同时感觉自己在动手实践  方面还亟待加强。我必须加强专业知识和实践的结合，以使自己将来进入公司能尽快的适应公司，适应社会。为整个机械行业 ,为整个社会做出自己的一份贡献。  为未来做好充分的准备，才能立足于这个竞争激励的社会。         毕业 设计（论文）开题报告        学  生  姓  名：                    学号：                                                  专        业：                                                               设计（论文）题目：     MT200压力机机身结构有限元分析及改进设计                                                         指  导  老  师：                                                                        年   月   日     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 压力机的国内外发展 现 况  随着机电一体化和数控技术的飞速进步，伺服驱动系统在制造业中得到了广泛应用。但是与，与金属切削机床相比，锻压机械的伺服化、数字化的开发落后了数十年 21。上世纪 90 年代， 在日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服机直接驱动压力机的研究和开发，这种伺服压力机与传统机械压力机相比，具有结构简单丶生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入普及期，随着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成行加工领域中的应用和其优良的节能性么，已经显示了其他压力机所无可比拟的优越性，成为世界冲压技及装备发展的主要潮流之一1。  日本在伺服压力机的研究、生产及商品化等方面处于国际领先水平，掌握了伺服压力机的设计和制造技术。日本 komstsu 公司在伺服压力机的研 发上目前已经出现了三代不同的产品，第一代是 1998 年发明的 HCP3000，第二代是 2001 年问世的 H2F、 H4F，第三代是 2002 年 H1F 系列 2。 2005 年日本网野公司开发出世界上最大的大型伺服压力机，目前公司根据各种生产需求，研发出了机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、液压式伺服压力机等多种类型的伺服压力机 3。 2007 年德国 SCHULER 公司推出了2500-3600KN 系列产品。 2010 年舒勒推出了新一代伺服驱动机械压力机。  自上世纪八十年代以来，我国的一些企业先后引进了日本小松制作所得机械 压力机、德国埃尔福特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的告诉精密压力机等多种压力机产品技术，是我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高 24。 2007 年10 月济南二机床研制出我国第一台大型伺服压力机。台湾金丰企业开发了 CM1 型伺服压力机。 2007 年广州锻压机床厂和华南理工大学联合设计制造的 CDKS 系类肘杆伺服压力机。齐二机床近年先后引进了瑞典 APT 研配试冲液压机技术，与上海交通大学合  作成功研制了伺服压力机技术。 2008 年两者又采用沉余容错技术联合开发成功了2000KN 对称肘杆伺服压力机，打破了国 外大型伺服电机对中国市场的垄断，发挥了巨大的经济价值。  随着我国制造业的不断发展，我国已经能生产出最大下压能力为 50000KN 的单动压力机和最大下压能力为 20000KN 的双动压力机以及最大下压能力为 20000KN 的多连杆单动压力机 22。 虽然近几年国内伺服压力机已经有了很大的发展，但在有些关键技术上和国外还是有很大的差距。为了提高了我国大型伺服压力机的研发水平，必须走自主创新之路，开着具有我国自主知识产权的、符合中国发展条件的大型伺服压力机研制工作。  1.2 有限元的发展及现状  有限元法是 根据变分原理求解数 学、物理学问题的一种数值方法 ， 是当前各行业通用的重要的计算方法 23。 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 4。  有限元方法是目前解决科学和工程问题最有效的数值方法。有限元法具有极大地通用性和灵活性；对同一种问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算；只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度；有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便 5。但是在求解一些特殊问题，特别是间断问题时，有限元方法存在着某些固有的缺陷。针对有限元方法的不足， 1999 年，美国西北大学的 Belytschko 研究组提出课一种用于处理间断问题的 修正的有限元方法 -扩展有限元法，并增加了对不连续边界的描述 6。  作为建设国家新一代青年，不仅需要懂得工程专业知识、有限元分析知识，还需要懂得计算机软件设计知识，才能主动应用现代工程设计方法来解决工程中遇到的各种力学问题。    1.3ANSYS 软件介绍  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 7。 ANSYS 软件具有多种有限元分析的能力，一个典型的 ANSYS 分析过程可分为以下三个步骤 8： 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）； 施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；求解； 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。  该平台为图像检测装备领域提供了新的软件架构，能有效的整合图像算法工具、工作流机制以及现场使用需求。和目前国内国外该领域其他的软件工具相比，具有突出的优点 9： 1）友好的客户端界面设计，流程图话的操作设计，可以使得最终用户不用直接使用代码或者命令行等其他方式的编码，而且也不用熟悉图像处理的原理，只需要考虑工作流程即可，从而提高可工作效率，减少了用户的负担； 2）使用工作流机制使得底层图像处理算法和可视化流程图之间的数据传递更加有效便捷； 3）平台可扩展性好，可以集成和扩展多种图像处理算法工具，减少二次开发的时间。 4）工作流实时返回处理的实时数据，可以对处理过程的每一个环节实时监控。  参考文献：  1 金风明 .窦志平 .韩新民 .伺服压力机在我国的发展现状 J.机电产品开发与创新 .2012.1. 2 谢鹏 .简述伺服压力驱动压力机的发展 J.科技创新与应用 .2013. 3 吕言 .周建国 .阮澎 .最新伺服压力机的开发以及今后的动向 J.综述 .2010.1. 4 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. 5 张晋红 .吴风林 .有限元法及其应用现状 J.综述 .2007.04. 6 郭历伦 .陈忠富 .罗景润 .陈刚 .扩展有限元 方法及应用综述 J.力学季刊 .2011.12. 7 谷俊斌 .贾宏玉 .ANSYS 软件在工程力学专业教学中的应用 J.中国冶金教育 .2013(4). 8 王亚利 .ANSYS 软件在机械结构中分析中的应用 .M. 9 樊炳辉 .焦浩 .贾娜 .基于 ANSYS WorkBench 的排爆机器人机械手静力学分析 J.制造业自动化 .2014.02.   10钟志华 .周彦伟 . 现代设计方法 .武汉理工大学出版社 .2001.8. 11龚曙光 .ANSYS 基础应用及范例解析 .机械工业出社 .2003.1 12周平 .新型压力机机身有限元分析及优化 D:硕士学位论文 .南京：南京理工大学， 2007. 13雷小燕 .有限元法 .中国铁道出版社 .2000.10 14张洪武 .有限元分析与 CAE 技术基础 M.北京 .清华大学出版社 ,2004 15梁森 .开式数控回转头压力机机身的有限元分析及优化 D.论文硕士 .山东 .山东工业大学机械系 .2001 16江克斌 ,.屠义强 . 邵飞 .结构分析有限元原理及 ANSYS 实现 . 北京 : 国防工业出社 . 17张祖芳 .开式压力机机身的有限元分析及优化设计 D:硕士学位论 文 .南京：东南大学，2004 18尚晓江等 . ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用 .中国水利水电出版社 .2006.1 19张洪武有限元分析与 CAE技术基础 M北京：清华大学出版社， 2004 20雷小燕 .有限元法 .中国铁道出版社 .2000.10 21江卓 .2000KN 开式曲柄伺服压力机设计 .D:硕士学位论文 .武汉：华中科技大学 .2012.5 22张进 .多连杆机械式压力机动力学分析研究 .D:硕士学位论文 .合肥：合肥工业大学 .2012.4 23张同同 .250 吨 数控伺服压力机传动机构运动特性及机架有限元分析 .D:硕士学位论文 .吉林 .吉林大学 .2013.6. 24黄迅 .三伺服电机驱动机械压力机的设计与研究 .D:硕士学位论文 .上海 .上海交通大学 .2013.2.                  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。 MT200 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 MT200 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。  本课题的目的在于巩固和扩大学生在校期间所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决工程中的实际问题的能力；培养学生调查研究以及资料、信息获取和分析的能力；培养学生在设计过程中使用计算机的能力；培养学生撰写论文的能力；培养学生创新能力和创新精神 。  2.2 课题分析  要求运用有限元分析软件 ANSYS 对 MT200 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 10。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 MT200 型 压力机机身 进行三维实体建模；  (2)了解 MT200 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 11；   (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 12；  (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 13；  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 14。  2.3 方案制定  1.在 Soildworks 里画出 MT200 压力机的三维模型再导入 ANSYS 软件中 15。  2.选择块单元。    3.对单元进行网格划分，遵循 “均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ”的原则 16。  4.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匀载荷。  5.约束条件：压力机通过地脚螺栓与地基项链部分的 6 自由度全约束 17。  6.施加材料特性：机身材料是 Q235A，密度 P=7800kg/m3 7.对压力机进行应力场分析 18。  8.分析压力机在加载情况下机身受力垂直变形以及角变形。  9.对机身结构进行结构静态优化。机身的优化原则是：通过改变机身结 构，应用 ANSYS计算出机身最大应力和垂直变形，以许用应力和原有的变形为约束，优化的目标是选择合适的机身焊接结构与钢板厚度，尽量减轻机身的重量 19。  10.对压力机进行模态分析，得到结构的固有频率和固有振型 ，检验这些模态参数是否符合模态参数准则 20。  3 课题进度安 排表  起始日期  工作内容  第 1-2 周  收集阅读与课题有关的中英文资料 15 篇；  翻译英文资料  ；  第 3-4 周  毕业实习，并完成实习报告；  第 5-7 周  调查研究、分析课题，提交开题报告；  有限元软件（ ANSYS）操作练习；  第 8-10 周  对压力机机身进行有限元建模研究；  结构分析，有限元计算，数据处理；  第 11-12 周  给出优化方案及分析结果  。  撰写毕业论文  。  第 13-15 周  对所做工作进行总结、分析、做 PPT,准备毕业答辩  。         毕业设计（论文）开题报告  指导教师意见 ：  1、对“文献综述”的评语：      2、对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果  的预测：     指导老师：                           年    月    日  所在专业审查意见：    负责人：                                                   年     月     日     毕业设计（论文）中期检查表  学生姓名    学号    指导教师     选题情况   课题名称  MT200 压力机 机身 结构有限元分析及改进设计  难易程度  偏难   适中    偏易   工  作  量  较大   合理    较小   符合规范化  的要求  任务书  有    无   开题报告  有    无   外文翻译质量  优   良    中   差   学习态度  出勤情况  好    一般    差   工作进度  快   按 计划进行    慢   中期工作汇报及解答问题情况   优       良       中       差      中期成绩评定：  所在专业意见：                                                                 负责人                 年       月        日    I   中文摘要   近年来制造业成为国家大力支持和发展的行业，机床工业是制造业的基础与关键。然而， 有限元分析技术的应用，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。本文以闭式压力机机身为研究对象，利用有限元分析软件 ANSYS 作为分析工具，进行有限元静态、模态分析，并根据分析结果进行机身结构改进设计研究。本文对闭式压力机机身结构进行受力分析，采用均布载荷的方法对机身进行加载，将地脚螺栓加以全约束，然后进行计算处理，对机身的变形大小和应力分布进行分析，从而定量确定机身的薄弱环节，并用有限元方法计算了机身的角变形。  由于各项参数都有富余，所以根据分析结果，  提出三种改进方案以减少机身材料。     运用 ANSYS Workbench 进行模态分析，分 析其固有频率以及对应的振型。了解该压力机的模态特征和动态特征，为结构的设计和改进提供了理论依据。最后对论文的研究内容进行了总结和展望。  关键词 ： 闭式压力机， 有限元 ，静态分析 ， 改进设计，模态分析      II   Abstract In recent years, our country has been fully supporting and developing the manufacturing industry, whose foundation and key lies in the machine tool industry. However, the application of finite element analysis is significant in shortening the period of production development, increasing the quality of production, reducing the cost of manufacture and improving the enterprise competitive ability. Static and modal this present dissertation using finite element analysis software ANSYS, and some improvement designs of press frame structure have been recommended based on the results of analysis. This paper analyses the stress put on the frame of closed press, loading on the frame of closed press using uniform load, keeping the anchor bolts to all DOF and then calculating the result. The weakness of the frame is found by analyzing the distribution of stress and deformation. Angular deformation is calculated by FEM. Because all parameters meet the requirements, this paper puts forward three other methods to save material.  Modal analysis using ANSYS Workbench is to resolve its inherent frequency and corresponding mode shapes. It can help to understand the modal characteristics and dynamic characteristics of the structure. It also provides a theoretical basis and foundation foe design and improvement of the structure. Finally the paper's research contents are summarized and discussed.  Key words: closed press, finite element method, static analysis, improvement designs, modal analysis     III 目   录   中文 摘要  .  Abstract .  第一章   绪论  . 1 1.1 引言  . 1 1.2 压力机的国内外发展状况 . 1 1.3 课题 研究背景和 来源  . 2 1.4 课题研究内容  . 2 第二章   研究方法及研究工具介绍  . 4 2.1 有限元法  . 4 2.1.1 有限元研究方法  . 4 2.1.2 有限元的基本思想  . 4 2.1.3 有限元的优点  . 5 2.1.4 有限元应用的种类  . 5 2.1.5 有限元软件的分析步骤  . 6 2.2 三维实体建模软件 Solidworks 简介  . 6 2.3 ANSYS 模态功能介绍  . 6 2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench 简介  . 7 第三章   压力机机身的静态分析  . 8 3.1 机身简介  . 8 3.2 机身有限元分析  . 9 3.2.1 制定方案  . 9 3.3 有限元模型的建立  . 9 3.3.1 单元类型的选 择  . 10 3.3.2 单元网格的划分  . 10 3.3.3 边界条件的施加  . 11   IV 3.3.4 边界约束条件  . 11 3.3.5 材料特性的施加  . 12 3.4 计算结果分析  . 12 3.4.1 机身的应力应变要求  . 12 3.4.2 应力图形显示  . 13 3.4.3 整体变形图 . 14 3.4.4 局部变形图 . 17 3.4.5 X， Y， Z 方向最大变形量的对比  . 18 3.4.6 机身角变形与角刚度计算  . 18 第四章  机身结构的改进设计  . 21 4.1 优化方案一  . 21 4.1.1 应力图显示  . 21 4.1.2 整体变形图显示  . 22 4.1.3 喉口变形图显示  . 24 4.1.4 X， Y， Z 方向最大变形量的对比  . 26 4.1.5 角变形与角刚度  . 26 4.2 优化方案二  . 27 4.2.1 应力图显示  . 27 4.2.2 整体变形图  . 28 4.2.3 喉口变形图  . 29 4.2.4 X， Y， Z 方向最大变形量的对比  . 31 4.2.5 角变形与角刚度  . 31 4.3 优化方案三  . 32 4.3.1 应力图显示 . 32 4.3.2 整体变形图显示  . 33 4.3.3 喉口变形图显示  . 34 4.3.4 X， Y， Z 方向最大变形量的对比  . 36 4.3.5 角变形与角刚度  . 36   V 4.4 选择最佳优化方案  . 37 第五章   机身的模态分析  . 38 5.1 模态分析概念  . 38 5.2 模态分析的原理  . 38 5.3 改进机身的自由模态分析  . 39 5.4 无约束模态下的振型描述  . 44 第六章   总结与展望  . 51 6.1 总结  . 51 6.2 展望  . 51 致  谢  . 52 参考文献  . 53 MT200 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引言  近年来，国家大力发展制造工业，尤其对 “极大 ”与 “极小 ”制造给予更多的关注和支持。制造业水平的高低 决定 了一个国家的科技实力。 60 年代， 伴随 震动试验技术的发展，以及频率特 性分析仪和机械阻抗测试仪的问世，使结构频率响应函数测试成为可能； 70年代发展起来的快速傅立叶变换技术（ FFT）及有限元分析技术，实现了机械结构的理论建模和实验建模； 80 年代末，机械机构的动态设计得到了发展。目前机械结构动态设计研究的重点，是将作为动态分析重要手段的试验模态分析技术（ EMA）和有限元分析方法（ FEA）同迅速发展的计算机辅助设计技术有机结合起来，以进一步发展和完善机械结构动态设计技术。在此基础上，对机械结构进行优化设计 和完善 。  现代工业的高速发展，产品的功能越来越强大、结构越来越复杂，新产品的更 新换代周期不断缩短，设计分析在产品的整个生命周期中占据极其重要的位置。在研发过程中， CAE 软件 ANSYS 技术的使用，缩短了从设计到生产的周期，极大提高了产品的质量，使设计人员能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性，但是它的建模功能有待增强。  压力机由于其性价比好、作业便捷 、且 用途广泛而 深受 欢迎，市场需求量越来越大。与此同时，产品市场竞争也异常激烈。伴随着大吨位压力机的发展，压力机零部件 的安全性显得尤其 的 重要。而有限元分析强大的数值计算功能可以轻而易举地 分析 解决用传统的方法无法解决的复杂结构受力情况下的问题，利用它解算复杂的计算问题能简化设计过程、加快设计进度，并且有限元模型能很好地虚拟现实工况，故分析结果准确。为此，提出了关于本课题的研究 对 MT200 精整压力机进行结构分析并给出优化方案。  1.2压力机的国内外发展状况  随着机电一体化和数控技术的飞速进步，伺服驱动系统在制造业中得到了广泛应用。但是与金属切削机床相比，锻压机械的伺服化、数字化的开发落后了数十年 21。上世纪90 年代，在 日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服机直接驱动压力机的研究和开发，这种伺服压力机与传统机械压力机相比，具有结构简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入普及期，随着其在汽车零MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   2 件、电子零件等高精度、难成行加工领域中的应用和其优良的节能性么，已经显示了其他压力机所无可比拟的优越性，成为世界冲压技及装备发展的主要潮流之一 1。  日本在伺服压力机的研究、生产及商品化等方面处于国际领先水平，掌握了伺服压力机的设计和制造技术。日本 komstsu 公司在伺服压力机的研发上目前已 经出现了三代不同的产品，第一代是 1998 年发明的 HCP3000，第二代是 2001 年问世的 H2F、 H4F，第三代是 2002 年 H1F 系列 2。 2005 年日本网野公司开发出世界上最大的大型伺服压力机，目前公司根据各种生产需求，研发出了机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、液压式伺服压力机等多种类型的伺服压力机 3。 2007 年德国 SCHULER 公司推出了2500-3600KN 系列产品。 2010 年舒勒推出了新一代伺服驱动机械压力机。  自上世纪八十年代以来，我国的一些企业先后引进了日本小松制作所得机械压力机、德 国埃尔福特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的告诉精密压力机等多种压力机产品技术，是我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高 24。 2007 年 10 月济南二机床研制出我国第一台大型伺服压力机。台湾金丰企业开发了 CM1 型伺服压力机。 2007 年广州锻压机床厂和华南理工大学联合设计制造的 CDKS 系类肘杆伺服压力机。齐二机床近年先后引进了瑞典 APT 研配试冲液压机技术，与上海交通大学合作成功研制了伺服压力机技术。 2008 年两者又采用沉余容错技术联合开发成功了 2000KN 对称肘杆伺服压力机，打破了国外大型伺服 电机对中国市场的垄断，发挥了巨大的经济价值。  随着我国制造业的不断发展，我国已经能生产出最大下压能力为 50000KN 的单动压力机和最大下压能力为 20000KN 的双动压力机以及最大下压能力为 20000KN 的多连杆单动压力机 22。虽然近几年国内伺服压力机已经有了很大的发展，但在有些关键技术上和国外还是有很大的差距。为了提高了我国大型伺服压力机的研发水平，必须走自主创新之路，开着具有我国自主知识产权的、符合中国发展条件的大型伺服压力机研制工作。  1.3课题研究背景和来源  锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离 的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域。其中，作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及设备的发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促使汽车更新换代的速度MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   3 明显加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变型品种日益增多，现代汽车工业生产日益呈现生 产规模化、车型个性化，车型批量小、车型变化快、多车型共线生产、车身覆盖件大型化一体化的特征。传统的加工单一品种的刚性生产线显然已不适应这种特征和市场形势发展的要求，其升级换代产品具有高柔性和高效率的自动化锻压设备，成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流。  本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。 MT200 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 MT200 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。   1.4课题研究内容  要求运用有限元分析软件 ANSYS 对 MT200 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 10。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 来 达到降低生产成本 的目的 ，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 压力 机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有：  (1)对 MT200 型 压力机机身 进行三维实体建模；  (2)了解 MT200 型 压力机 工作性质和工作 状态 ；分析 它的 工作载荷，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 变形 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 固有频率以及相应振型 的 等动态参数，分析其对工作状况的影响；  (5)根据分析 的 结果，在应力集中危险区域采取措施 来 改善应力状况；在低应力区域，改变相关尺寸 的 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 强 度和 刚 度。重复进行以上步骤，直到获取最佳 的 方案。  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   4 第二章   研究方法及研究工具介绍  2.1 有限元法  2.1.1 有限元研究方法  有限元法是根据变分原理求解数学、物理学问题的一种数值方法，是当前各行业通用的重要的计算方法 23。它是 20 世纪 50 年代末 60 年代初兴起的 现代力学 、 应用数学 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 的 问题扩展到动力学 的 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土木建筑、航天、机械制造、 造船、水利工程、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 4。  有限元方法是目前解决科学和工程问题最有效的 一种 数值方法。有限元法具有极大地 灵活性 和 通用性 ；对同一种问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算；只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度；有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便 5。但是在求解一些特殊问题，特别是间断问题时，有限元方法存在着某些固有的缺陷。针对有限元方法的不足， 1999 年，美国西北大学的 Belytschko 研究组提出 了 一种用于处理间断问题的修正的有限元方法 -扩展有限元法，并增加了对不连续边界的描述 6。  2.1.2 有限元的基本思想  有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合 ， 且单元本身又可以有不同形状 ， 因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域 ； 然后对单元 ( 小区域 ) 进行力学分析 ，  最后再整体分析。这种化整为零 ， 集零为整的方法就是有限元的基本思路 5。  有限元法的解题步 骤：  （ 1）划分单元网格 ， 并按照一定的规律对单元和结点编号。根据求解区域的形状及实际问题的物理特点 ， 将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作 ， 这部分的工作量比较大 ， 除了对计算单元和节点进行编MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   5 号并确定相互之间的关系之外 ， 还要表示节点的位置坐标 ， 同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号及相应的边界值。  （ 2）选定直角坐标系 ， 按程序要求填写和输入有关信息。  （ 3）使用已经编好的程序进行上机计算。计算程序中对输入的各种信息进行加工、运算。  （ 4）对计算成果进行整理、分析 ， 用表格或图线示出所需的位移及应力。在划分单元时 ， 单元的大小 (即网格的疏密 )要根据精度要求和计算机的速度及容量来确定。单元分得越小 ， 计算结果越精确。所以 ， 有限元法的核心是网格剖分与边界条件的确定 ， 然后是选用现代数学进行运算求解 ， 最后对求解结果进行分析。对于许多具体情况 ， 可使用一些建立起来的物理模型 ， 从而可使问题简单化。  而真正在设计中 ， 目前多使用 CAD 一类的高级辅助软件进行分析、设计 ， 以保证设计的正确性、准确性及最优化。  2.1.3有限元的优点      （ 1）有限元法具有极大的通用性和灵活性。它不仅能成功地处 理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线性应力 、  应变关系及复杂边界条件等难题 ， 而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善 ， 还成功地用来求解热传导、流体力学以及电磁场领域的许多问题 ， 现在它几乎适用于求解所有的连续介质及场问题。  （ 2）对同一类问题的有限元法 ， 可以编制出通用的程序 ， 应用计算机进行计算。  （ 3）只要适当加密单元的网格 ， 就可以达到工程要求的精度。  （ 4）有限元法采用矩阵形式的表达 ， 便于编程序 ， 可以充分利用高速电子计算机所提供的方便 9。  2.1.4 有限元应用的种类  在实际的工程技术领域，根 据分析的目的，有限元法的应用可以分为以下三种类型：       一、是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力分析，也可以在静磁学、静电学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。       二、是模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广。可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统的固有特性的确定等。  三、是进行瞬时动态分析。可以求解一些随时间变化的传播问题，如弹性连续体的瞬时动态分析 (或称为动力响应 )，流体动力学等。  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   6 2.1.5有限元软件的分析步骤 1 （ 1）明确目标： 什么类型的分析； 怎么构建模型； 什么单元。  （ 2）创建有限元模型： 创建或读入几何模型； 定义材料属性； 划分网格（节点及单元）。  （ 3）施加载荷及求解： 施加载荷及载荷选项、设定约束条件； 求解。  （ 4）查看结果： 查看分析结果； 检验结果（分析是否正确）。  通俗的表示就是：                                         2.2三维实体建模软件 Solidworks简介  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。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。  在本课题中，研究的对象是压力机机身，只需使用 Solidworks 中实体建模这一常用功能即可。  2.3 ANSYS软件介绍  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（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。  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，我们进准备工作  预处理  求解  后处理  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   7 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） 。   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。  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 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。  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   8 第三章   压力机机身的静态分析  3.1 机身简介      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。我研究的 MT200 型压力机是闭式的。框架形结构床身刚性好，所承受的载荷大而均匀 。   公   称  压  力 :  200KN；  标准行程次数 : 12501250；  机身材料是 Q235A，密度 3/7800 mkg ；  许用角变形 980 微弧；  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）。              图 3.1  MT200 压力机机身结构简图   MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   9 3.2机身有限元分析  3.2.1制定方案  1.在 Soildworks 里画出 MT200 压力机的三维模型再导入 ANSYS 软件中 15。  2.选择块单元。  3.对单元进行网格划分，遵循 “均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ”的原则 16。  4.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匀载荷。  5.约束条件 ：压力机通过地脚螺栓与地基项链部分的 6 自由度全约束 17。  6.施加材料特性：机身材料是 Q235A，密度 3/7800 mkg  7.对压力机进行应力场分析 18。  8.分析压力机在加载情况下机身受力垂直变形以及角变形。  9.对机身结构进行结构静态优化。机身的优化原则是：通过改变机身结构，应用 ANSYS计算出机身最大应力和垂直变形，以许用应力和原有的变形为约束，优化的目标是选择合适的机身焊接结构与钢板厚度，尽量减轻机身的重量 19。  10.对 压力机进行模态分析，得到结构的固有频率和固有振型，检验这些模态参数是否符合模态参数准则 20。   3.3有限元模型的建立  有限元模型的生成是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能够真实反映实际工程原型行为特征的数学模型。由于图形比较复杂，不适合在 ANSYS 中建模。我选择在 SolidWorks 里建模但还需简化，对于明显不会影响机身的整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角等予以简化，因为压力机的变形主要集中在喉口部位，不会影响影响分析结果。然后把 SolidWorks 里的图保存，再导入 ANSYS 中，实现 压力机限元模型。   MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   10  图 3.2  MT200 压力机机身的有限元模型  3.3.1单元类型的选择  该机身是  Q235 铸造的整体结构，形状不规则，可采用六面体单元划分，本文在  ANSYS 中计算时采用的是六面体单元  SOLID95，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；同时，其偏移形状的兼容性好，有  20 个节点定义，每个节点有 3 个自由度， (X， Y， Z 方向 )，此单元在空间的方位任意，本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、  大变形以及大应变的能力，提供不同的输出项。  3.3.2单元网格的划分  单元的划分应遵循 “均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ”的原则 18-20，具体到本机身上，网格应细划的位置是：喉口圆角处部位；而网格应粗划的位置是：前后侧板的绝大部分及两侧板间的连接筋板等部位。一般来说，单元划分的越细计算精度就越高，但单元划分存在一条收敛曲线，过细对计算的精度贡献不大，同时造成计算量的陡增。过细有时还会产生计算精度的漂移与误差。本文在用  ANSYS 计算时划分单元时，采用的单元大小为  60mm，细划部位采用的单元大小为  30mm，经过划分单元后，共有 232028个节 点， 127622 个单元。  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   11  图 3.3 机身的网格划分图  3.3.3边界条件的施加  机身静态分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。  1）载荷的施加  本设备的公称压力是  200KN，但由于实际应用中设备受到的载荷会随时间有一定的变化，故应在静载荷上乘以一个动载荷系数 1.20，即实际受到的载荷数应当是 240KN，由于在 ANSYS 软件分析时所施加的是压强，所以具体压强值应为载荷除以受力面积。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。设备在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在支撑板上，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，且都以均布载荷的形式作用于面上。  3.3.4 边界约束条件  机身静态分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。  1）载荷的施加  本设备的公称压力是  200KN，但由于实际应用中设备受到的载荷会随时间有一定的变化，故应在静载荷上乘以一个动载荷系数 1.20，即实际受到的载荷数应当是 240KN，由于在 ANSYS 软件分析时所施加的是压强，所以具体压强值应为载荷除以受力面积。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。设备在工作时承受两个方向的载MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   12 荷，一个是作用在支撑板上，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，且都以均布载荷的形式作用于面上。  2）边界约束条件  MT200 压力机机座的边界约束条件是通过地脚螺钉与基础相连的全约束，故将前面和后面的各个与地面接触的底板都使用  6 自由度全部位移予以约束，由于机身的重量达  6000 多公斤，因此考虑机身的自重，考虑重力或离心力是通过施加相应的加速度来定义的，由于惯性力和加速度的方向刚好相反，因此对于此图而言应施加向上的重力加速度9.8。  3.3.5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，根据机械设计手册， Q235 钢的弹性模量 E 为 206.76 GPa ，泊松比 为 0.27 0.3 ，本文取 PaE 11100.2 ， 3.0 ，  Q235 钢的密度取3/7800 mkg 。  3.4 计算结果分析  3.4.1机身的应力 和 变 行  （ 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3影响，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（又称 Von Mises 等效应力）来评价 20-21。  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  ，   安全系数s  而 s  = )()()(21 213232221  其中： 1 ， 2  ， 3 第一，第二，第三主应力。  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   13 由前可知，机身材料为 Q235， MPas 235 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 安全系数/ =235/1.47=160MPa ，而我们所要的应力要求是： MPa160 。  （ 2）机身变形要求 : mmxx 1 mmyy 1 mmzz 1 。  3.4.2 应力图形显示  （单位： MPa， 以下单位相同 ）  本文 采用第四 强度理论，只要给出 Von-Mises 应力图即可。  1）应力等值线图   图 3.5  Von Mises 应力 等值 云图   从该图可以看出，机身应力的最大值为 49.577MPa，小于 160MPa，且机身，特别 是支撑板 处有一定形变，需要对其进行优化。         MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   14     2）喉口应力图    图 3.6 喉口 Von Mises 应力云图  3.4.3机身变形图 （单位： mm， 以下单位相同 ）   为了更好的说明问题，先对机身的坐标系做一下解释。如图 2-6 中所示，沿竖直方向为  Y 向，左右方向为  X 向，垂直纸面的方向为  Z 向。图中的虚线是机身原始状态，实体则显示了变形后的状态。由于液压机体积较大，而几毫米的变形量在实际中是看不出来的，为了方便查看变形效果，图中显示的变形是  ANSYS 软件的夸张显示 22-24。         MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   15 1） 机身总变形图   图 3.7 机身总变形图  2 )X 方向变形图    图 3.8  X 方向变形图     MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   16 3) Y 方向变形图    图 3.9  Y 方向变形图   4） Z 方向变形图    图 3.10  Z 方向变形图  MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计   17 3.4.4