MP160型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 01339828 或 11970985 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 利用有限元分析软 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 力机机身 进行三维实体建模； 2、了解 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： 限元 ,化设计 买文档就送您 01339828 或 11970985 he is an of In as in to is of to of In to of so as to of in as 1. D 2. of of 3. of 4. to to to in in to of of Re of 5. on of on of of is 文档就送您 01339828 或 11970985 录 中文摘要 . I . 一章 绪论 . 1 力机发展的现状 . 1 限元法的介绍 . 2 . 3 . 4 . 4 . 4 . 5 第二章 压力机机身的静态分析 . 7 . 7 . 7 . 8 . 8 . 8 . 9 算结果分析 . 11 力和变形要求 . 11 . 12 . 12 . 15 . 15 . 16 第三章 机身结构的优化 . 17 买文档就送您 01339828 或 11970985 . 17 . 17 . 17 . 20 . 24 第四章 机身模态分析 . 28 . 28 . 29 . 29 . 33 第五章 结果 . 38 . 38 . 38 第六章 结论与展望 . 40 . 40 . 40 致谢 . 42 参考文献 . 43 买文档就送您 01339828 或 11970985 1 第一章 绪论 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 5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、买文档就送您 01339828 或 11970985 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 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 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。 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买文档就送您 01339828 或 11970985 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。 一款以有限元分析为基础的大型通用 件 ,是现代产品设计中的高级 软件是由美国 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 际质量体系认证中， 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 。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 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 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 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 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 。 买文档就送您 01339828 或 11970985 4 本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司， 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 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 : 称 压 力 : 1600准行 程次数 : 25程 50次 /分 机身材料是 度 =7800kg/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 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买文档就送您 01339828 或 11970985 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） 研究的内容 本文要求运用有限元分析软件 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 力机机身 进行三维实体建模； 2） 了解 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 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 买文档就送您 01339828 或 11970985 6 简化，然后运用三维造型软件 成三维实体造型； 2） 熟悉并掌握有限元分析软件 所建立的实体模型导入 3） 了解 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。 买文档就送您 01339828 或 11970985 7 第二章 压力机机身的静态分析 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。 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 要技术规格如下： 型 号 : 称 力： 1600准行程次数 : 25程 50次 /分 图 力机机身结构图 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； 买文档就送您 01339828 或 11970985 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。 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 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 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。 选用的机身材料为 性模量 E=松比 =度 =7800kg/ 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 50划部位采用的单元大小为 40过划分单元后，共有 136128个节点， 81431个单元。 买文档就送您 01339828 或 11970985 9 图 （ 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 160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* 其中： F公称压力； A受力面积； 1920 P=1600 =75 缸上的载荷按均布载荷， P=1600 *=61 买文档就送您 01339828 或 11970985 10 图 作台加载力示意图 图 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买文档就送您 01339828 或 11970985 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。 算结果分析 力和变形要求 （ 1）变形要求： ； ； 。 （ 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 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 s=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 = s /安全系数 =235/60 而我们所要的应力要求是： 160 买文档就送您 01339828 或 11970985 12 位： 下相同） 确定上述条件后，运用 出机身的位移分布图和等效应力分布图。 1） 图 力等值线图 2） 图 图 （单位： 下相同） 买文档就送您 01339828 或 11970985 13 1） 图 2） 图 买文档就送您 01339828 或 11970985 14 3） 图 4）总体变形图 图 体变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 15 由总应力（图 2可以看出：最大 11 发生在候口处，也远远小于该材料的许应力。 （ 1）候口处的角变形： 角变形 ta n /其中 ： 为节点 L 为三角形 由图 2 2 角变形（上） =e m/e 弧 =966 角变形（下） =e m/e 弧 =171 角变形共计 =12=966+171=1137机身的许用叫刚度， KN/ 压力机公称力 ， 600=N/（ 3）角刚度计算610 /其中机身角刚度， KN/ 压力机公称力， a机身的角变形 ， 600* 610 )/(1137* 610 )=N/ （ 3）沿 作台沿 买文档就送您 01339828 或 11970985 16 沿 作台沿 沿 右侧板候口处 ,工作台沿 位移最大值在液压缸和候口处为 小值在工作台处为 0 机身与垫板连接处直接承压情况 图 如图所示，压力机最大应力出现在候口处，即 :最大 11 候口优先优化设计。而机身和垫板连接处最大 8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。 买文档就送您 01339828 或 11970985 17 第三章 机身结构的优化 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 满足应力和变形要求：应力： 160 变形要求： x1y1z1 为了减少材料，在原来方案的基础上将主板厚度减少 20 1） 机身几何模型图 图 身几何模型图 买文档就送您 01339828 或 11970985 18 2） 图 3） 图 方向位移变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 19 4） 图 方向位移变形图 5） 图 方向位移变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 20 6）总体变 形图 图 体变形图 1） 从结构在 3最大应力为 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 3力等值线图可以看出，主板应力区域最大应力为 132现在侯口处。 2） 从结构在 3以看出：最大正变形为 在液压缸处，最小负变形为 于 1位移（图 3以看出最大变形为 于 1 静态结构优化成功。 在二方案的基础上，在候口处左右加外轮廓，轮廓厚度为 20体图形如图（ 示。 买文档就送您 01339828 或 11970985 21 1）机身几何模型 图 身几何模型 2） 图 买文档就送您 01339828 或 11970985 22 3） 图 方向位移变形图 4） 图 方向位移变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 23 5） 图 方向位移变形图 6）总体变形图 图 体变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 24 从结构在 以 看出：最大应力为 129要分布在候口处，小于许用应力。两侧板应力不大。 从结构在 以看出：最大正变形为 液压缸处，最小负变形为 于 1位移（图 以看出最大变形为 于 1 静态结构优化成功。 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 身几何模型 买文档就送您 01339828 或 11970985 25 2） 图 方向位移 变形图 3） 图 方向位移变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 26 4） 图 方向位移变形图 5） 总体位移变形图 图 体位移变形图 买文档就送您 01339828 或 11970985 27 6） 力等值线图 图 力等值线图 1）结构在 以看出：最大应力为 132要分布在候口处，小于许用应力。 2）结构在 以看出：最大正变形为 液压缸处，最小负变形为 于 1位移（图 以看出最大变形为 于 1 静态结构优化成功。 买文档就送您 01339828 或 11970985 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