MC80 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 MC80 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 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 201 4 年 6 月 3 日 中文摘要 随着各种结构分析理论和优化设计理论的提出与成熟，结合迅猛发展的计算机技术，机床企业对于机床结构的设计也从传统的经验、类比、静态的设计阶段，向动态优化 设计阶段迈进。 利用大型有限元分析软件 ANSYS,以 MC80 压力机机身为研究对象，对 MC80 压力机进行三维建模。应用 ANSYS 有限元分析软件对压力机机架进行静态分析和模态分析，在压力机机架满足足够的强度和刚度条件下， 品 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。 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 MC80 型 压力机机身 进行三维实体建模； 2. 了解 MC80 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 模型进行约束模态分析，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。 6. 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， ANSYS， 优化设计 Abstract With the proposal and maturation of all kinds of structural analysis and optimum design theory, as well as the rapid development of computer technology, the design of the structure of machine tools in our countrys machine tool enterprises has also transited from the period of traditional, analog and static design to the period of dynamically optimum. Using ANSYS FEM software, body of MC80 press, three-dimensional model of is made. Application of ANSYS finite element analysis software for static analysis of the press frame and modal analysis, in the press frame to meet the sufficient strength and stiffness conditions， by shortening the period of production development， increasing the quality of production， reducing the cost of manufacture and improving the ents for the calculatioerprise competitive ability. To increase pressure product performance, quality, and reduce product cost life and provide scientific basin and analysis in order to enhance its product competitiveness in the market. The main contents are as follows： 1. for the 3D solid modeling of MC80 press frame； 2. understanding of MC80 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, impact load on working performance； 4. 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. ； 5. 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. 6. The research content of this dissertation is summarized and prospect. Keywords: press machine ， finite element analysis ， ANSYS， optimization design III 中文摘要 .I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 压力机的发展与综述 . 1 1.1.1 压力机的综述 . 1 1.1.2 我国压力机的概况 . 2 1.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 1.2.1 本课题的来源 . 2 1.2.2 要研究和解决的问题 . 2 1.3 本章小结 . 3 第二章 有限单元法 . 4 2.1 有限元的发展与现状 . 4 2.2 ANSYS 软件简介 . 8 2.3 有限元基本思想 . 6 2.4 本章小结 . 10 第三章 压力机机身的静态分析 .11 3.1 机身简介 .11 3.2 几何模型的建立 .11 3.2.1 单元的 选择与 划分 . 12 3.3 边界条件的施加 . 13 3.3.1 载荷的施加 . 13 3.3.2 边界约束条件 . 14 3.4 材料特性 . 14 3.5 计 算结果分析 . 14 3.5.1 应力和变形要求 ： . 14 3.5.2 应力图形显示 . 16 3.5.3 变形图显示 . 16 3.5.4 应力分析 . 18 IV 3.5.5 变形分析 . 18 3.6 本章小结 . 18 第四章 机身结的构优化 . 19 4.1 优化分析 . 19 4.2 优化方案一 ： . 19 4.2.1 实体模型图 . 19 4.2.2 应力图显示 . 20 4.2.3 变形图显示 . 20 4.3 优化方案二 ： . 22 4.3.1 实体模型图 . 23 4.3.2 应力图显示 . 23 4.3.3 变形图显示 . 24 4.4 优化方案三 ： . 26 4.4.1 实体模型图 . 26 4.4.2 应力图显示 . 27 4.4.3 变形图显示 . 27 4.5 结果表格 . 30 4.6 本章小结 . 31 第五章 压力机的模态分析 . 32 5.1 模态分析概念 . 32 5.2 模态分析的作用 . 32 5.3 模态分析的的方法与步骤 . 32 5.3.1 模 态分析的的方法 . 32 5.3.2 模态分析的的步骤 . 34 5.4 机身的模态分析 . 34 5.5 本章小结 . 40 第六章 结论与展望 . 41 致谢 . 42 V 参考文献 . 43 汤跃进 MC80 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 压力机的发展与 概况 1.1.1 压力机的 综述 装备制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术装备的制造业 ,是制造业的核心组成部分 ,是国民经济发展特别是工业发展的基础。在装备制造业中 ,锻压制造是目前全世界应用最为广泛的制造方法之一。而在锻压机械中 ,机械压力机又占有很大的比重。众所周知 ,由于采用现代化的锻压工艺生产工件具有生产效率高 ,材料利用率高和改善了制件的内部组织及力学性能 ,质量好 ,能量省和成本低的优点。几十年来 ,机械压力机广泛应用于冲裁 ,落料 ,弯曲 ,折边 ,拉伸及其他冷冲压工序 ,是汽车 ,摩托车 ,家用电器 ,仪器仪表 ,轻工 ,国防工业 ,化工容器 ,电子等行业必备的关键设备。所以 ,工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替传统的切削工艺和其他工艺。伴随着工业的发展 ,压力机的种类和数量越来越多 ,质量要求越来越大 ,能力越来越大 ,它在制造业和其它相关行业中的作用日趋显著 1。 机械压力机是锻压机械中的一种，是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动，其工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高，易于实现机械化、自动化，适于在自动线上工作，在数量上居各类锻压机械之首。其中 开式压力机具有开式床身，工作台在三个方向都是敞开的，装卸模具和操作都比较方便，同时为机械化和自动化创造了条件；但开式压力机因为其床身呈 C 形，工作时变形大，刚性较差，而床身的强度、刚度将直接影响到零件加工精度、床身导轨的磨损和模具的寿命等。因此如何优化床身结构，提高开式压力机床身的静态、动态特性，同时又能降低床身的结构重量，对于开式压力机床身设计尤为重要。另一方面，随着科学技术的发展，压力机正向大吨位、高精度和高速度发展。例如，德国穆勒 .万加顿公司开发的螺旋压力机最大吨位达到 25000 吨；一些冷精锻加工精度可 0.02 0.05毫米；滑块行程较快的可达到 3000 4000 次 /分。要保证这些大吨位、高精度和高速压力机的正常工作，首先应该在设计压力机床身时必须保证有足够的强度和刚度，同时考虑工作时的压力机的振动情况。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 2 1.1.2 我国压力机的概况 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。 1.2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 1.2.1 本课题的来源 本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。 MC80 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 MC80 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。 1.2.2 要研究和解决的问题 要求运用有限元分析软件 ANSYS 对 MC80 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 MC80 型 压力机机身 进行三维实体建模； （ 2） 了解 MC80 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； 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 3 （ 4） 对 机身 模型进行 约束 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。 1.3 本章小结 本章主要介绍了这一次科学研究的对象：压力机。在这一章节中，我们介绍了他的国内外发展历史和现状，针对它的实用性，我们对此再次就行优化设计以求得到更好的效果。在这一章中，我们对研究目的和方法作了说明，在下面的章节中，我们会具体进行分析和改进。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 4 第二章 有限单元法 2.1 有限元的发展与现状 有限元法作为一 种数值计算方法，它的产生和发展却是首先在工程应用中取得突破。固体力学中最早采用计算机进行数值计算的是杆系结构力学 ，以杆件为单元 ，称为矩阵位移法，它为有限元理论提供了思路。有限元法基本思想的提出，可以追溯到 Courant 在 1943 年的工作 ， Courant 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数 和最小位能原理来求解 St .Venant 扭转问题。开始涉及有限元的概念。 1954 年， Argris J H用系统的最小势能原理得到了系统的刚度矩阵，使已经成熟的杆件矩阵位移法可以用来分析连续介质 。 1955 年美国波音飞机制造公司的TurnerM.L 和 Clough.R ， W ，在分析大型飞机结构时，第一次采用直接刚度法给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，并导出了其单元刚度矩阵，发展成矩阵位移法。 1960 年 R.W.Clough 把这种方法由航空结构工程扩展到土木工程，并正式命名为有限元法，这标志着有限元法的正式诞生。 到 60 年代末至 70 年代初 ,出现了大型通用有限元程序 , 它们以功能强、 用户使用方便、 计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品 ,成为结构工程强有力的分析工具。目前 ,有限元 法在现代结构力学、 热力学、 流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。 进入 20 世纪 80 年代以后，有限元法在理论的指导下， 其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题，从固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，成为应用广泛的分析工具。同时，随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，大型商用有限元软件在更好的人机界面 、更强的分析功 能、更直观结果的显示方面取得了长足的进步，并日益和计算机辅助设计 CAD 软件集成 在一起 ，形成了一个新的领域 CAE，给工程设计带来巨 大的变革。由于有限元法特别适合于计算机程序编写，因此许多国家都编制了大型通用的有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的 SAP 软件、麻省理工学院研制的 ADINA 软件、美国国家航空与宇航局研制的 NASTRAN 软件等。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 5 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 , 主要表现在以下几个方面：增加产品和工程的可靠性；在产品的设计阶段发现潜在的问题；经过分析计算，采用优化设计方案 ，降低原材料成本；缩短产品投向市场的时间；模拟试验方案，减少试验次数 ，从而减少试验经费。 纵观当今国际上 CAE 软件的发展情况，可 以看出有限元分析方法的一些发展特点： （）数据统一。使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 （）强大的建模能力。具备三维建模能力，仅靠的（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。 （）强大的求解功能。提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。 （）强大的非线性分析功能。 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 （）智能网格划分。 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格 （）良好的优化功能。 （）良好的用户开发环境。 现在有限元的用途很广，用法很多，我们浅谈下振动工程中的有限元模态分析：模态分析技术开始于 20 世纪 30 年代，经过 70 多年的发展，模态分析已经成为振动工程中一个重要的分支。 有限元模态分析发展趋势，当今国际上方法和软件开发呈现出以下趋势特征： （ 1）从单纯的结构力学计算发展到求解多物理场问题。近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等 “耦合 ”场问题的求解计算； (2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。有限元技术在岩土工程中也有应用。它在镶嵌技术上也有应用。 上述主要介绍了有限元的发展及其应用，接下来介绍下有限元方法的基本思想。有限元方法的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联接在汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 6 一起的单元组合体。由于各单元能按不同的联接方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。有限元方法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设近似函数来分片地表达求解域上的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场 函数或导数在单元的各个节点的数值和其差值来表示。这样一来，在利用有限元方法分析问题时，未知场函数或其导数在各个节点的数值就成为新的未知量 ( 即自由度 ) ，从而使一个连续的无限自由度问题成为离散的有限自由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解区域上的近似解。随着单元数目的增加 (单元尺寸减小 ) 或随着单元自由度的增加及插值函数的精度的提高，解的近似程度不断改进，只要各单元是满足收敛要求的，近似解最后将会收敛于精确解。 2.2 有限元基本思想 有限元法的中心思想是对 求解域 (结构 )进行单个儿划分和分片近似，其计算步骤为： (1)结构的离散化 结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。所谓结构的离散化，其过程简单地说，就是将分析的结构物划分成有限个离散体 (单元体 )，并在单元体指定点设置结点，把相邻的单元体在结点处连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构，显然单元体越多，越接近原来的结构。不同的分析对象采用不同的单元类型，常用的有杆单元，梁单元，板单元，壳单元，体单元等。 (2)选择位移函数 在结构的离散化完成以后，就可对单元进行特性分析。分析方法可按节点未知量选用变形、位移和应力的不同，有力法、位移法、混合法和杂交法，最常用的方法是位移法。为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力，必须对单元中位移的分布作一定的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数 位移函数。位移函数的适当选择是有限元分析的关键。在有限元法应用中，普遍地选择多项式作为位移函数，因多项式的数学运算 (微分和积分 )比较方便，并且由所有光滑函数的局部来看都可以用多项式逼近。根据所选定的位移函数，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是： 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 7 式中， 为单元内任一点的 位移列阵； N为形函数矩阵，它的元素是单元位置坐标的函数，反映了单元的位移形态； 为单元的结点位移列阵。 (3)分析单元的力学特性 位移函数选定以后，就可以进行单元力学特性的分析。它包括三部分内容： A利用几何方程和位移表达式 (2-1)导出用结点位移来表示单元应变的关系式，寻求结点位移与应变的关系，即： =B 式中， 是单元内任一点的应变列阵； B为单元应变矩阵。 B利用物理方程，由应变的表达式 (2-2)导出用结点位移表示单元应力的关系式，即： =DB 式中， 是单元内任一点的应力列阵； D为与单元材料有关的弹性矩阵。 C利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式 (节点平衡方程 )，即： 式中， 在积分遍及整个单元的体积，为单元刚度矩阵； R为单元上节点力列阵。 (4)计算单元的等效节点力 弹性体经过离散化以后，假定力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因而，这种作用在单元边界上的表面力以及作用于单元的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。移置的方法是按照作用在单元上的力与等效节 点力在任何虚位移上所做的虚功都相等的原则来进行的。 (5)集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 这个集合过程包括两个方面的内容：一个是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的荷载列阵。汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 8 一般说来，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。 于是得到以整体刚度矩阵 K荷载列阵 R以及整个物体的节点位移列阵 S表示的整个结构的平衡方程： K=R (6)求解未知节点位移和节点等效荷载以及整体刚度矩阵组成的平衡方程解 出节点位移，然后利用公式和已求出的节点位移来计算各单元的应力，最后利用公式求出单元内任一点的位移。 2.3ANSYS 软件简介 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 2。 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 各种动力学分析等计算能力，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 软件对机械模型 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。 ANSYS 仿真分析的结果可以帮助设计人员对实际生产方案作出准确的判断，节省物力财力，为提高生产效率及缩短设计研发周期的产生有很大的作用 3。 ANSYS 软件计算分析的原理是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学 固体力学 结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题 4求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。 ANSYS 典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理个部分组成。 前处理：有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成，其中建模主要包括以下几步： （） 确 定工作名和分析标 （） 设置分析模块 ； 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 9 （） 定义单元类型和选项 ； （） 定义实常数； （） 定义材料性质 ； （） 创建分析几何模型 ； （） 建立有限元模型 ； （） 对模型进行网格划分 ； 选择单元的要点包括： （）对线性结构（应力）分析，建议采用高阶单元； （）对非线性应力分析， 用低阶单元采用较密网格，而不用较粗网格高阶单元； （）对壳应力分析，四边形比三角形结果要好。 加载及求解：加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有： 自由度约束位移、节点力（力，力矩）、表面载荷压力、惯性载荷（重力加速度，角加速度）。 可以在实体模型或 （有限元分析）模型（节点和单元）上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式， 求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。 后处理：后处理是将计算所得的结果可视化。有两个后处理器：通用后处理 器，它只能观看整个模型在某一时刻的结果；时间历程后处理器，可观看模型在不同时间的结果。但此后处理器只能用于处理静态或动力分析结果。动力分析结果后处理的步骤主要包括： 从求解计算结果中读取数据； 对计算结果进行各种图形化显示； 可对计算结果进行列表显示； 进行各种后续分析。而静力分析结果后处理的步骤主要包括： 绘变形图， 变形动画， 支反力列表， 应力等值线图。 目前， ANSYS 软件已广泛应用于机械制造 石油化工 轻工 造船 航空航天 汽车交通 电子 土木工程 水利 铁道 日用家电等一般工业及科学研究 27，其技术涵盖多汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 10 个学科领域 !随着发展， ANSYS 提供的机械工程仿真技术将越来越成熟，设计人员以真正耦合的方式使用 ANSYS 技术，可获得符合现实条件的解决方案，而综合多物理场产品组合能使用户利用集成环境中的多个耦合物理场进行仿真与分析 ANSYS软件可让用户更深入地钻研，从而解决更多种类的问题，处理更为复杂的情况。因此， ANSYS 产品以其灵活的仿真性能将会被越来越广泛地关注和应用。 2.4 本章小结 在这一章节中，我们介绍了有限元 的发展与现状，有限元基本思想， ANSYS 的发展历史和现状，说明了它的软件有点和具体 的使用方法。对其中的一些公式方程我们也进行了说明和列举。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 11 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。我所研究的 MC80 压力机为 C 型， 焊接结构 。 该设备的主要参数如下 : 型号 : MC80； 公 称 压 力 : 800KN； 标准行程次数 : 225mm 行程 100 次 /分； 机身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 许用角变形 980 微弧； 3.2 几何模型的建立 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边界条件等步骤。 MC80 压力机机身上有底座，有加强板、凸台，油泵等，在建立有限元模型时，不可能全部考虑这些复杂的因素，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，因此，按照等效截面方法对机身进行简化，其简化条件是简化前后截面积和惯性矩分别相等。坐标原点建立在底座上。 机身前后板、侧板、加强筋、加强板之间通过焊接而成，假定焊接为理想焊接，机身结构可视为一整体，以不等厚板处理。约束条件为机身与基础连接的地脚螺钉全约束。简化后机身力学实体几何模型如图 3.1 所示： 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 12 图 3.1 MC80 实体几何模型 3.2.1 单元的 选择与 划分 ANSYS 单元库中有超过 150 种不同的单元类型，在建立有限元模型时，先要选择适当的有限元单元来代替实际的结构。在生成单元之前，必须 设置合理的单元属性，包括单元类型、实常数、材料特性以及单元坐标系等。软件提供丰富的单元类型用于各种问题的计算，其中实体、板壳、和梁是三类常用单元。实体单元有SOLID45、 SOLID92 和 SOLID95 等。关于有限元单元先择的问题，通过计算比较指出：使用高阶单元比使用低阶单元的效果显著；长方体单元比四面体单元计算效果好。虽然二次高阶单元（带有中间节点）比线性单元的节点数增加，但对曲线和曲面边界的结构有较好的拟和，并且只用很少的单元就可以得到更高的精度。 本单元采用的是结构块单元 SOLID92， SOLID92适合划分不规则的网络模型。如 :制作各种 CAD / CAM系统 .solid92为 20节点砖形元素 。 这种元素由 10个节点组成 ,每个节点沿节点坐标系 x,y,z3个方向平动 。 单元的几何形状节点位置及坐标系如下图 图 3.2 SOLID92单元 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 13 元素输入数据在节点旁边，包括正交异性材料性能 ,正交异性材料的方向对应元素的坐标方向 。 元素坐标系统的方向所描述的是坐标系统 。各板厚度以单元实常数的形式在定义单元特性时赋予各板。载荷的处理：本题所使用的是均部载荷，对油泵和工作台进行加载处理，总载荷为 960KN。 利用 ANSYS 的智能尺寸网格划分功能，网格划分器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，基本控制只需定义网格尺寸的等级从 1（精细）到 10（粗略）。考虑到本文要进行静动态的有限元分析，故选取划分网格的精度等级为 6， 智能划分后，如图 3.3 所示 图 3.3 网格划分图 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。 3.3.1 载荷的施加 本设备的 公称压力是 800KN，但由于实际应用中设备受到的是动载荷，故应在静载荷上乘以一个动荷系数 1.20，即 960KN。分析其应力和变形时，取其公称压力汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 14 为机身的外载荷。设备在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在油泵上，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。 2 个载荷都是以均部载荷的形式作用在工作平面上的。 3.3.2 边界约束条件 MC80 压力机机座的边界约束条件为机身与导轨连接的螺栓全约束。图 1 反应了ANSYS 上施加外力载荷和进行边界约束。 图 1 约束 和外力加载图 3.4 材料特 性 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 E=21011Pa,=0.3, Q235钢的密度取 = 7800kg/m3。 3.5 计算结果分析 3.5.1 应力和变形要求： （ 1）机身变形要求 : mmxx 1 mmyy 1 mmzz 1 。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 15 （ 2）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，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，材料不发生破坏的条件是： 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 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， =s/安全系数 =235/1.47=160Mpa，而我们所要的应力要求是： 160MPa 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 16 3.5.2 应力图形显示 （ MPa） 1)Von-Mises 应力图 图 1 Von-Mises 应力云图 3.5.3 变形图显示 (mm) 1)X 方向变形图 图 2 X 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 17 2)Y 方向变形图 图 3 Y 向变形图 3)Z 方向变形图 图 4 Z 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 18 4)总变形图 图 5 总变形图 3.5.4 应力分析 1） 从 Von-Mises 应力图中我们可以看出最大应力为 77.172 Mpa，小于许用应力 160 Mpa，符合要求。 3.5.5 变形分析 1) 从 X 变形图可以看出，变形为 0.55237mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 2) 从 Y 变形图可以看出，变形为 0.42429mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 3) 从 Z 变形图可以看出，变形为 0.021491mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 3.6 本章小结 本章列出了压力机的三维模型，细化后的图形也列出来了。对于这压力机模型我们介绍了它的材料特性，也对它进行了加载然后应力分析和变形分析。也对它的变形结果进行了分析，符合变形和应力要求。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 19 第四章 机身结的构优化 4.1 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： x1mm y1mm z1mm 4.2 优化方案一： 将机身壁厚减少 20mm,由原来的 80mm改为 60mm。 4.2.1 实体模型图 图 4-2-1 实体模型图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 20 4.2.2 应力图显示 (MPa) 1） Von-Mises 应力图 图 4-2-2 Von-Mises 应力云图 4.2.3 变形图显示 (mm) 1)X 方向的变形图 图 4-2-3 X 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 21 2） Y 方向的变形图 图 4-2-4 Y 向变形图 3） Z 方向变形图 图 4-2-5 Z 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 22 4） 总变形 图 图 4-2-6 总变形图 4.2.4 应力分析 1） 从应力图 Von Mises 中我们可以看出最大压应力为 101.51Mpa， 小于许用应力 160 Mpa，符合应力要求 。 4.2.5 变形分析 1) 从 X 变形图 可以看出，变形为 0.70933mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 2) 从 Y 变形图可以看出，变形为 0.5299mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 3) 从 Z 变形图可以看出，变形为 0.029791mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 4.3 优化方案二： 在方案一的基础上，将喉口处直线部分的长度由 133mm改为 115mm。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 23 4.3.1 实体模型图 图 4-3-1 实体模型图 4.3.2 应力图显示 (MPa) 1） Von-Mises 应力图 图 4-3-2 Von-Mises 应力云图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 24 4.3.3 变形图显示 (mm) 1） X 方向的变形 图 4-3-3 X 向变形图 2)Y 方向的变形图 图 4-3-4 Y 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 25 3)Z 方向变形图 图 4-3-5 Z 向变形图 4） 总变形 图 图 4-3-6 总变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 26 4.3.4 应力分析 1)从 Von-Mises 应力图中我们可以看出最大应力为 105.31 Mpa，小于许用应力 160 Mpa，符合应力要求。 4.3.5 变形分析 1) 从 X 变形图可以看出，变形为 0.69657mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 2) 从 Y 变形图可以看出，变形为 0.52376mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 3) 从 Z 变形图可以看出，变形为 0.029533 mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 4.4 优化方案三： 在方案一方案二的基础上，将工作台下面的梯形凹槽改为矩形凹槽。 4.4.1 实体模型图 图 4-4-1 实体模型图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 27 4.4.2 应力图显示 (MPa) 1） Von-Mises 应力图 图 4-4-2 Von-Mises 应力云图 4.4.3 变形图显示 (mm) 1） X 方向的变形图 图 4-4-3 X 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 28 2） Y 方向的变形图 图 4-4-4 Y 向变形图 3） Z 方向的变形图 图 4-4-5 Z 向变形图 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 29 4）总变形图 图 4-4-6 总变形图 4.4.4 应力分析 1)从 Von-Mises应力图中我们可以看出最大应力为 105.67Mpa，小于许用应力 160 Mpa，符合应力要求。 4.4.5 变形分析 1)从 X 变形图可以看出，变形为 0.69688mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 2)从 Y 变形图可以看出，变形为 0.52387 mm，符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 3)从 Z 变形图可以看出，变形为 0.029792mm， 符合了变形需要小于 1 mm 的要求。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 30 4.5 结果表格 经计算可节省的材料如表 1 所示： 表 1.各优化方案分析比较 方案 可节省材料的体积 (m3) 可节省材料的重量 (kg) 方案一 0.1171 913.68 方案二 0.0025 19.79 方案三 0.0115 89.85 压力机机身各种方案下的计算结果如表 2 所示： 表 2.各优化方案分析比较 机身最大应力（ MPa） 最大变形 (mm) X 方向 Y 方向 Z 方向 原设计方案 77.172 0.55237 0.42429 0 021491 改进方案 方案一：将机身壁厚减少 20mm,由原来的 80mm 改为60mm。 101.51 0.70933 0.5299 0.029291 方案二：在方案一的基础上，将喉口处直线部分的长度由 133mm 改为115mm。 105.31 0.69657 0.52376 0.029533 方案三：在方案一方案二的基础上，将工作台下面的梯形凹槽改为矩形凹槽。 105.67 0.69688 0.52387 0.029792 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 31 4.6 本章小结 对于这次的优化，我们提出了 3 个优化方案，这三个方案总体来说都符合优化标准，但是出于材料的节省来说，第 1 方案为最佳方案，总共可以节省 1023 的材料，大大节省了成本。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 32 第五章 压力机的模态分析 5.1 模态分析概念 模态分析的经典定义：将线性定常系统振动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。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。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。计算模态分析实际上是一种理论建模过程，主要是运用有限元法对振动结构进行离散，建立系统特征值问题的数学模型，用各种近似方法求解特征值和特征矢量。由于阻尼难以准确处理，因此通常均不考虑小阻尼系统的阻尼，解得的特征值和特征矢量及系统的固有频率和固有振动矢量。可见，用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数，如果要进行模态叠加响应分析和瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。 5.2 模态分析的作用 模态分析所的最终目标在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以及结构动力特性的优化设计提供依据。 模态分析技术的应用可归结为一下几个方面： 1) 评价现有结构系统的动态特性； 2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计； 3) 诊断及预报结构系统的故障； 4) 控制结构的辐射噪声； 5) 识别结构系统的载荷。 5.3 模态分析的的方法与步骤 5.3.1 模态分析的的方法 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 33 1.降阶法 (reduced householder method)： 该方法为一般结构最常用的 方法之一。其原理是在原结构中选取某些重要的节点为自由度，称为主自由度 (master degree of freedom)，再用该主自由度来定义结构的质量矩阵及刚度矩阵并求出其频率及振动模态，进而将其结果扩展至全部结构。在解题过程中该方法速度较快，但其答案较不准确。 主自由度的选择依照所探讨的模态、结构负载的情况而定： a. 主自由度的个数至少为所求频率个数的两倍。 b. 选择主自由度的方向为结构最可能振动的方向。 c. 主自由度节点位于较大质量或转动惯量处及刚性较低位置。 d. 如果弯曲模态为主要探讨模态，则可省略旋转自由度。 e. 主自由度的节点位于施力处或非零位移处。 f. 位移限制为零的位置不能选为主自由度节点，因为这种节点具有高刚性的特性。 可以用 M 命令来定义主自由度。此外，也可由 ANSYS 自动选择自由度。 2. 次空间法 (subspace method)： 通常用于大型结构中，仅探讨前几个振动频率，所得到结果较准确，不需要定义主自由度，但需要较多的硬盘空间及 CPU 时间。求取的振动模态数应该小于模型全部自由度的一半。 3. 非对称 法 (unsymmetrical method)： 该方法用于质量矩阵或刚度矩阵为非对称时，例如转子系统。其特征值(eigenvalue)为复数，实数部分为自然频率；虚数部分为系统的稳定度，正值表示不稳定，负值表示稳定。 4. 阻尼法 (damped method)： 该方法用于结构系统具有阻尼现象时，其特征值为复数，虚数部分为自然频率；实数部分为系统的稳定度，正值表示不稳定，负值表示稳定。 5. 区块法 (block lanczos method)： 该方法用于大型结构对称的质量及刚度 矩阵，和次空间方法相似，但收敛性更快。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 34 6. 快速动力法 (power dynamics method)： 该方法用于非常大的结构（自由度大于 100,000）且仅需最小几个模态。该方法质量矩阵采用集中质量法。 5.3.2 模态分析的的步骤 1. 模型建立。模态分析是线性分析，如果在分析中指定了非线性单元，程序在计算过程中将忽略其非线性行为，故模态分析尽可能选用线性单元。在材料特性中密度 DENS 一定要定义，以构建质量矩阵；另外必须指定弹性模量 EX。材料的性质可以是线性的、非线性的、恒定的或与温度相关的，但非线性性 质将被忽略。 2.进入 /SOLU 中定义模态分析，声明模态分析方法，结构外力负载（通常指结构约束条件，如果有结构外力，则是预应力问题），主自由度的选择（如选用降阶法）。求解，退出 /SOLU。 3. 再进入 /SOLU，将所得结果扩展至全结构，求解，并保存至结果文件以便在后处理器中检查结果。 4. 进入 /POST1 检查结果。也可以将求解与模态扩展合并在一起，定义完模态分析相关参数后，不求解，先定义模态扩展，然后再求解。 5.4 机身的模态分析 对于模态设置进行扩展，所以对于求得的的每一阶固有频率，程序同时都求解了其 对应的模态振型反应在该固有频率时模板各节点的位移情况。可以利用 ANSYS通用后处理器方便地对其进行观察和分析，并可以对各阶模态振型进行动画显示。 通过建模、网格划分、添加约束，得到机身的前十阶振型的共振频率，结果如表 5.1所示。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 35 表 5.1 机身的十阶振型的共振频率 频 率（ Hz） 振 型 一阶 29.642 机身 Z 方向左右摆动 二阶 91.904 机身顶部 X 方向左右摆动 三阶 113.37 机身顶部 Y 方向扭转 四阶 127.94 机身主 板后侧 Z 方向左右摆动 五阶 158.52 机身主板后侧 Z 方向左右摆动 六阶 196.84 X 方向扭转 七阶 240.84 机身主板后侧 Z 方向左右摆动 八阶 266.43 工作台后方部分上下移动 九阶 277.96 机身主板后侧 Z 方向左右摆动 十阶 285.81 工作台后方部分上下移动 机身的前十阶约束模态振型如图 5.0图 5.9： 图 5.0 一阶 约束模态 振型 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 36 图 5.1 二阶 约束模态 振型 图 5.2 三阶 约束模态 振型 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 37 图 5.3 四阶 约束模态 振型 图 5.4 五阶 约束模态 振型 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 38 图 5.5 六阶 约束模态 振型 图 5.6 七阶 约束模态 振型 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 39 图 5.7 八阶 约束模态 振型 图 5.8 九阶 约束模态 振型 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 40 图 5.9 十阶 约束模态 振型 5.5 本章小结 本章介绍了有限元法中的模态分析，具体说明了它的方法与步骤。在这一张中，我们倒入了我们设计的压力机，得到了它的频率和振型。我们通过图片可以看出它的扭转，也列出了它的频率与振型的表格。 汤跃进 MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 41 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 MC80 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） 利用三维造型软件 Solid Work 对 MC80 压力机进行实体建模，导入到 ANSYS软件中建立有限元模型 2） 运用有限元分析软件 ANSYS，建立了压力机机架的参数化模型，并应用于有限元分析中。对参数化模型划分网格后，给出约束条件、边界条件和工况载荷条件，进行了数值模拟分析。 3） 通过 ANSYS 进行静态分析 得 到压力机机身各结构应力、位移变形云图 ， 根据原始方案的应力、变形图的分析，改变相关尺寸变量以进行结构优化设计。 4） 运用 ANSYS 对压力机经行了模态分析，对它的稳定性能有了一定的了解。 6.2 展望 本文运用了 ANSYS 软件对 MC80 压力机进行了结构受力分析，得到了 MC80型压力机的性能参数，并对其进行改进，改善了性能并节省了材料。 由于时间和具体专业的关系，我们对压力机的分析研究以及对 ANSYS 这个软件的应用分析还有很多的不足，所以对于这次的研究分析还有许许多多的不足，而且得到的结论或者结果还有许多欠缺的地方。我们 对于