（化工过程机械专业论文）基于有限元分析的液压机结构优化.pdf

浙江大学硕士学位论文 y 8 4 61 4 4 摘要 液压机是重要的压力加工设备。传统的设计方法存在设计周期长、结构冗余、成本高、 缺乏对结果的验证等诸多弊端。面对日益激烈的市场竞争，企业迫切地需要了解液压机工作 状态下的应力应变分布规律，并在此基础上对液压机的结构进行优化。本文所采用的有限元 分析技术是解决上述问题的理想方法。 本文介绍了液压机的工作原理、结构特点、设计方法及适用范围、有限单元法和结构优 化的理论和方法、国内外液压机有限元分析研究和应用现状。提出了液压机部件静态有限元 分析和结构优化的思路，针对上横梁等重要部件进行静态有限元分析，得到应力应变分布云 图。根据有限元分析结果，对液压机主要部件进行结构改进和优化。 失稳问题一直以来都是影响钢结构使用的突出问题。立柱的结构特点和受力情况决定它 是液压机主要部件中最容易发生失稳的部件。根据实际约束和受力情况建立了失稳分析模 型，对立柱进行失稳分析，从而验证了液压机立柱在两种工作状况下的稳定性。 论文介绍了有限元模态分析和结构动力分析的概念和理论。对液压机的整体机架进行有 限元模态分析，得到了机架的前十阶固有频率和相应的固有振型，并对前三阶固有频率和振 型进行了详尽的分析和评价。机架整体的刚度和质量分布较为均衡，无明显的薄弱部位和过 剩部位，结构优化对液压机的动态性能影响较小。 本文关于液压机有限元分析以及结构优化的研究工作，其分析思路和方法有较大的通用 性和工程实践价值，并在湖州机床厂的“h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机结构优化设计”项 目中取得了显著的工程价值和经济效益。 关键词，液压机，有限单元法，结构优化，失穗，固有频率和振型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s s u r e i sa l li m p o r t a n ts m i t h e r ym e c h a n i s m t h e r ea r em a n yp r o b l e m si n t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o ds u c ha s l o n gp e r i o d ，s t r u c t u r er e d u n d a n c 5h i g hc o s ta n dl a c k o f v a f i d a t i o ne t c a l o n gw i t hd r a s t i c c o m p e t i t i o n , t h ec o r p o r a t i o n sn e e d t oc o m p r e h e n dt h e d i s t r i b u t i n gr u l eo fs t r e s sa n ds t r a i no fh y d r a u l i cp r e s s u r ei nw o r k i n gc o n d i t i o na n de x e c u t et h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb a s e do nt h er e s u l t s t h ef e at e c h n o l o g yi n t h i sp a p e ri st h ep e r f e c t m e t h o dt os o l v ea b o v ep r o b l e m s t h ep a p e ri n t r o d u c e dw o r kp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g nm e t h o da n da p p l i c a t i o n r a n g eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e ；i n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dm e t h o do fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n df e a ； i n t r o d u c e dt h es t a t u so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na b o u tt h ef e ai nh y d r a u l i cp r e s s u r eh o m ea n d o v e r s e a s t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h er o u t eo fs t a t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nf o rt h ec o m p o n e n t so fh y d r a u l i cp r e s s u r e ，p e r f o r m e dt h es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s o fi m p o r t a n tc o m p o n e n t si n c l u d i n gh i g h e rb e a m , a t t a i n e dt h ed i s t r i b u t i n gn e p h o g r a mo fs t r e s sa n d s t r a i n t h ep a p e re x e c u t e dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n da m e l i o r a t i o nb a s e do nt h er e s u l t so f s t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s b u c k l i n gi so n eo u t s t a n d i n gp r o b l e mt h a ti n f l u e n c e st h eu s a g eo fs t e e ls t r u c t u r e u p f i g h tp o l e i st h ec o m p o n e n tt h a ti sm o s tp o s s i b l et ob u c k l i n gi na l lc o m p o n e n t so fh y d r a u l i cp r e s s u r eb e c a u s e o fi t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n db o u n d a r yc o n d i t i o n 1 1 1 ep a p e rb u i l tt h eb u c k f i n gm o d e l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lr e s t r i c t i o na n df o r c ea n dp e r f o r m e dt h eb u c k l i n ga n a l y s i so fu p r i 曲tp o l e t h er e s u l t sv a l i d a t et h es t a b i l i t yo fu p r i g h tp o l eo fh y d r a u l i cp r e s s u r ei nt w od i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p ta n dt h e o r yo fm o d e la n a l y s i sa n ds t r u c t u r ed y n a m i c a n a l y s i s ；p e r f o r m e dt h em o d e la n a l y s i so ft h ew h o l ef r a m e w o r ko fh y d r a u f i cp r e s s u r e a n d c a l c u l a t e dt h ef i r s tt e n - r a n ki n h e r e n c yf r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n gv i b r a t o r y - t y p e ；a n a l y z e da n d e s t i m a t e dt h ef i r s tt h r e e - - r a n ki n h e r e n c yf r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n gv i b r a t o r y - t y p eo fh y d r a u l i c p r e s s u r e t h ed i s t r i b u t i n gs i t u a t i o no fq u a l i t ya n dr i g i d i t yi sb a l a n c e da n dt h e r ei sn oo b v i o u sl a c k o rr e d u n d a n c yr e g i o n t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nh a sl i t t l ei n f l u e n c et ot h ed y n a m i cc a p a b i l i t yo f h y d r a u l i cp r e s s u r e t h er e s e a r c ho ft h e o r ya n dm e t h o do fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nb a s e df e ap o s s e s sv e r s a t i l i t y a n dp r a c t i c a lv a l u ea n do b t a i nt h eh u g ee c o n o m yb e n e f i ta n de n g i n e e r i n gv a l u ei nt h ep r o j e c to f o p t i m i z a t i o nd e s i g no fh j y 2 7 6 3 0h y d r a u l i cp r e s s u r e k e y w o r d s f f ih y d r a u l i cp r e s s u r e ；f em e t h o d ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ；b u c k l i n g ； i n h e r e n c yf r e q u e n c ya n dv i b r a t o r y - t y p e i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 、液压机设计方法的发展状况 液压机是利用液压传动埋。技术进行压力加工的设备，是制品成型生产中应用最广的设 备之一。与其他压力机相比，它具有压力和速度可在大范围内无级调整，可在任意位置输出 全部功率和保持所需压力、结构布置灵活，各执行机构可很方便地达到所希望的动作配合等 优点。因此，液压机在我国国民经济的各行各业，尤其是塑性加工领域得到了日益广泛的应 用引。 影响液压机质量的因素很多，其中液压机的设计水平是非常关键的一个因素。液压机设 计的重点是机架设计，这是由机架的受力和结构特点而决定的。液压机本体是液压机的重要 组成部分，其重量约占整机重量的6 0 以上，液压机本体的设计水平，对液压机的制造成本、 技术性能和使用寿命有着决定性的影响。 液压机设计理论和方法的发展主要经历了经验设计、数值计算、优化设计几个阶段。 经验设计阶段主要利用材料力学简化方法计算主要部件的强度和刚度，把机架简化为材 料力学范畴的平面钢架，把横梁简化为材料力学范畴的简支梁，然后按照材料力学的方法进 行强度、刚度校核。尽管确认的结构大多数被实践证明是安全的，但存在设计周期长、结构 冗余、材料使用偏保守等弊端，致使产品重量大，成本高、效益低，削弱了产品竞争力，而 且缺乏对设计结果合理性的验证，计算结果常常与实测值相去甚远。 数值计算阶段，设计者把整个机架或单个的横梁作为研究对象，将它们视为空间板梁组 合结构，利用精度较高的有限元法进行整体结构分析分析结果的准确性和可靠性大大提高。 这在液压机设计史上是一个非常大的进步。 优化设计阶段，人们把结构优化设计方法h 1 引入液压机设计，使设计从安全校核转变为 优化设计。基于有限元的优化方法能从各种可能的结构设计方案中寻找较完善的或较合理的 方案，使材料分配趋于合理，实现了液压机设计的又一次飞跃。 目前，我国液压机本体的整体设计水平还比较落后。尽管一些大中型企业的设计部门在 某些重要的液压机本体设计工作中，对其关键部件已经采用了有限元分析方法和优化设计方 法，但是对于那些典型结构的液压机产品，绝大部分生产厂家和设计单位，包括大中型企业 的设计单位，基本上还沿袭着传统的设计方法。由于缺乏功能比较完善的现代设计手段，所 以导致液压机本体结构过于保守、设计周期长、效率也较低。这不仅造成了人力和物力的浪 费，而且严重影响着这些企业的市场竞争实力的提高。 浙江大学硕士学位论文 1 2 、有限元分析方法 有限单元法。5 。是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是矩阵方 法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。它是首先在连续体力学领域一飞机结构 静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、 电磁场、流体力学等连续性问题。它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求 解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确的计算形状复杂 零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。 有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析 物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方 程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。 总之，目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常 方便，只要有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这就是它能被迅 速推广的主要原因之一。 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论尚处于初级阶段，计算 机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。到6 0 年代末7 0 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1 。当前，在我国工程界比较 流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和 a l g o r 等。 我国在“九五”计划期间大力推广c a d 。“技术，机械行业大中型企业c a d 的普及率从“八 五”末的2 0 提高到目前的7 0 。随着企业c a d 应用的普及，工程技术人员已逐步甩掉图板， 而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析( c a e ，c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件 与c a d 系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加设计功 能，减少设计成本：缩短设计和分析的循环周期：增加产品和工程的可靠性；采用优化设计， 降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案， 减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。在大力推广c a d 技术的今天，从 自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，f e a 在工程设计和分析中将 得到越来越广泛的重视。 1 3 、结构优化设计理论和应用 在实际工程设计中，一个产品或一个零件的设计往往存在多个可供选择的设计方案。优 化设计就是要在所有的设计方案中寻求一个最佳设计，使得选定目标在满足给顶的限制条件 2 浙汀大学硕十学位论文 1 2 、有限元分析方法 有限单元法”1 是随着电子计算机的发展而迅速发展起米的一种现代计算方法，是矩阵方 法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。它是首先在连续体力学领域一飞机结构 静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用十求解热传导、 电磁场、流体力学等连续性问题。它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求 解，而且还可以州于工程设计中进午亍复杂结构的静态和动力分析，并能准确的计算形状复杂 零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。 有限元沾是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，旨先将被分析 物体离敞成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方 程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。 总之，目前的商用有限元稗序不仳分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常 方便，只要有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这就是它能被迅 速推广的主要原因之一。 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论尚处于韧级阶段计算 机的硬件厦软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。到6 0 年代末7 0 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棵强有力的分析工具。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_ l | j 1 。当前在我国工程界比较 流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 和 a l g o r 等。 我国在“九五”计划期问大力推广c a d 技术，机械行业大中型企业c a d 的普及率从“八 五”末的2 0 提高到目前的7 0 。随着企业c a d 应用的普及，工程技术人员已连步甩掉图板， 而将主要精力投身如何优化设计提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析( c f ，c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件 与c a d 系统的集成应用使设计水甲发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加设计功 能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性：采用优化设计， 降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案， 减少试验时间和经费：进行机械事故分析杏找事故原因。在大力推广c a d 技术的今天，从 自行车到航天电机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，f e a 在工程设计和分析中将 得到越来越广泛的重视。 1 3 、结构优化设计理论和应用 在实际工程设计中一个产品或一个零什的设计往往存在多个可供选择的设计方案。优 化设计就是要在所有的设计方案中寻求一个最佳设计，使得选定目标在满足给顶的限制条件 化设计就是要存所有的醴计方案中寻求一个晟佳设计，使得选定目标存满足给顶的限制条件 浙江大学硕士学位论文 下达到最优。优化设计是一门以数学规划为理论基础，以计算机为工具的现代设计方法，是 c a e 技术的重要组成部分引。 结构优化设计过程包括两个主要环节，即首先根据实际条件建立起优化模型，然后根据 模型特点选择适当的优化方法求解模型。建立正确的优化模型是优化设计的前提，模型是否 符合实际，很大程度上决定了优化是否实际最优解。模型求解是优化设计的关键，优化方法 的选择决定了求解过程是否收敛，以及收敛速度和精度。结构优化设计技术的发展主要有以 下几个方面： ( 1 ) 有限元一优化- - c a d 的集成化。在有限元、优化和c a d 各自的理论研究和软件开发 都有一定基础的前提下，实现这种集成化的关键在于解决好它们之间的接口。现已出现的软 件有m c a d s 等。 ( 2 ) 可靠、有效算法的进一步研究。这更多地依赖于非线性规划本身的发展。近似概 念有较高效率，但可靠性尚需提高。 ( 3 ) 平行算法( p a r a l l e la l g o r i t h m s ) 。结构优化的巨大计算量，要求更快的计算机处 理速度，平行处理是提高计算机处理速度的重要技术。有限元分析的平行算法已有不少研究， 但结构优化的平行算法还不多。 ( 4 ) 高层次优化问题。对于拓扑、布局、离散变量优化问题等，目前还没有一套行之 有效的方法，还要依赖专家系统、人工智能及神经网络的发展及其在结构优化设计中的运用。 随着结构优化设计研究的深化，结构优化的应用软件也有了很大的发展。其中一类是专门研 制的结构优化软件，如a s t r o s 、g e n e s i s 、o a s i s 、c a d s 、s a p o p 、d d d u 、a c c e s s 等：另一类 是利用现有商品化的有限元分析软件扩展成结构优化软件。 结构优化设计方法在机械、土木，水利，港航等工程领域有着广泛的应用。在实际工程 应用中，结构优化设计方法存在以下具体问题： ( 1 ) 建立数学模型时涉及面广( 如选定设计变量、选择目标函数、建立约束方程) ，且 须注意应吸收工程经验，使得在现有条件下有解，且所得解易于在实际工程中应用，故而增 加了设计的复杂性。如何改进中间函数及中间设计变量以得到约束函数的高度近似函数；如 何有效地求得约束函数( 或中间函数) 对设计变量( 或中间变量) 的灵敏度。 ( 2 ) 优化算法众多，对一般的设计者，往往不易选准计算方法，从而使设计趋于复杂。 ( 3 ) 编制计算机程序及计算的工作量很大。结构优化设计由于存在以上具体问题，限 制了相当部分设计人员参与，以致造成适用面极小的现状。 在工程实际应用中，许多结构的优化设计往往并不容易。原因之一就是优化模型中的目 标函数或约束函数不能写成设计变量的数学显式，因而难以进行每次迭代中的函数运算。如 复杂结构在强度、刚度约束条件下，由于形状的复杂性以及存在应力集中等现象，结构最大 应力及给定点处的变形量就很难用弹性力学公式写出。即使是一些相对简单的结构，如果对 其动态性能有约束限制，结构的固有频率也难以用一个数学显式表达。 3 浙江大学硕士学位论文 由于有限元方法能够计算复杂结构在复杂工况作用下的应力分布、位移分布以及固有频 率等性能，因此将有限元与优化方法相结合，便能解决许多实际问题。这种方法的特点是： 用一定优化算法控制整个优化迭代过程的进行，而用有限元方法完成每次迭代中的强度、刚 度和动态性能的计算。 1 4 、国内液压机有限元结构优化设计方法应用现状 随着液压机在国民经济各行各业的广泛应用，液压机优化设计和成本问题越来越受到企 业和科研机构的关注。目前，液压机机身结构设计很多采用的仍然是传统材料力学简化计算 与经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法经过实践证明具有一定的可靠性，但存在设计 周期长、结构冗余、材料使用偏保守等弊端，致使产品重量大，成本高、效益低，削弱了产 品竞争力，而且缺乏对设计结果合理性的验证。 为了解决液压机设计中的这些问题，国内一些高校和科研机构采用不同的思路和方法围 绕液压机有限元分析开展了相关的研究工作。陈先宝、王卫卫在对j36 80 0b 压力机 结构分析和简化的基础上，用sap5 程序进行了压力的动态有限元计算以及相应的对比实 验，其理论值和实验值物吻合较好。采用的压力机结构简化和计算方法可以推广于同类锻压 设备的动态计算中去，有一定的参考价值旧1 ；郑州大学的秦东展、祁建中等研究了液压机横 梁的结构特点及设计方法，提出利用结构优化设计方法对横梁进行结构设计，并对其中的一 些关键理论和技术进行了研究，包括横梁结构的有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结 构重分析，并应用于y 3 2 - 5 0 0 b 四立柱液压机下横梁的结构设计，得到了满意的结果h0 | ；天 津理工学院的杨秀萍、宗升发、曹晓邮采用有限元方法对液压机中的主液压缸、横梁和立柱 进行结构设计。得到了详细的应力、应变分布云图及应力集中和最大变形的位置。根据分析 结果，优化设计方案，并重新进行数值模拟，使设计达到要求u ；重庆大学的王炳乐、刘开、 等以3 2 0 0 k n 四柱液压机上横梁为例，讨论了工程中觉的板壳组合结构的有限元分析u 别；山 东工业大学的李德军、李培武在对某厂新近设计的22mn 液压机进行结构分析和简化的基 础上，用ansys 软件对其整体框架式机身进行了静动态有限元计算，求出了正载及偏载 工况的应力位移分布，模态分析给出了机身振动的前十阶固有频率及相应振型，在此基础上， 总结了该机身设计的力学特点，指出了进一步改进的方向与措旖，这对于同类锻压设备的设 计及静动态计算具有重要的参考价值u 引。 以上研究通过对各压力机的有限元分析。揭示了各压力机的静、动态特性，真实反映了 各压力机在工作状态下的实际应力应变规律，为各压力机的整体设计提供了很好的理论依 据，同时也为后人的研究奠定了理论和实践基础。 1 5 、论文研究内容 本文对h i y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机进行了有限元结构静态分析、失稳分析和模态 分析。利用静态有限元分析，可以校核机身部件的强度和刚度，并根据分析结果进行结构优 4 浙江大学硕士学位论文 化设计，降低成本，提高效益。失稳分析验证了液压机立柱在两种工作状况下的稳定性。模 态分析可以求出机身振动的固有频率及其相应振型，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，其分析思路和方法有较大的通用性和工程实践价值。主要内容 有： ( 1 ) 对h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机的上横梁、活动横梁、下横梁、立柱、液压垫、 工作台等主要部件进行三维实体建模，进而将这些部件装配成液压机整机模型。 ( 2 ) 根据实际情况施加边界条件，考虑各个部件在不同极限工作状况下的受力情况， 划分网格，进行有限元结构静态分析，求出各个部件在各种工况下的应力和应变分布规律。 ( 3 ) 选定部件总体质量为目标函数，确定关键的尺寸变量，根据分析结果，在应力集 中危险的区域采取各种措施，改善应力状况；在低应力区域，改变关键的尺寸变量，以达到 减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析，检验改变后部件的应力和应变分布情况。 重复以上步骤，直到求取质量目标函数最小值。 ( 4 ) h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机的立柱进行稳定性分析。液压机立柱的结构特点 和受力情况决定它是液压机主要部件中最容易发生失稳的部件。根据实际约束和受力情况建 立了有限元分析模型。根据液压机上横梁工作时的受力情况，将上横梁分为两种工况施加载 荷和边界条件，划分网格，进行稳定性分析。从而验证了液压机立柱在两种工作状况下的稳 定性。 ( 5 ) 对h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机整机模型进行模态分析，求解机身固有频率以 及相应的振型等动态参数，分析其对液压机工作状况的影响，对液压机的各项性能指标进行 了评估。为研究和解决液压机振动和噪音问题提供参考。 ( 6 ) 将上述研究工作应用于浙江湖州机床厂h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机的结构优 化和模态分析，取得了显著的经济效益和科研价值。 5 浙江大学硕士学位论文 第二章液压机有限元分析的理论基础 2 1 、液压机的工作原理、基本参数和结构特点 2 1 1 、液压传动的应用和发展 液压传动是利用密封系统中的受压液体来传递运动和动力的一种传动方式，以液体作为 传递运动和动力的工作介质，传动中经历两次能量转换。首先，通过动力装置将机械能转换 为液体的压力能，然后再通过液压机把液体的压力能转换为机械能。传动发生在密封的容器 内，而且必须有密闭容积的变化才能够实现。液压系统若能正常工作必须具备动力装置、执 行元件、控制调节元件、辅助元件和工作介质。 液压传动与其他的传动方式相比，具有很多优点。主要有以下几个方面： ( 1 ) 液压传动能够输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位传动，这是其他传动方 式所不能比的凸出优点。 ( 2 ) 液压传动能够在大范围内很方便地实现无级调速( 调速比范围可达2 0 0 0 ) 且可在 系统运行过程中调速。 ( 3 ) 在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可 采用管道连接，或采用集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，可以构成用其他传动方 式难以组成的复杂系统。 ( 4 ) 液压传动能够使执行元件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击。 而且，由于其反应速度快，故可实现快速启动、制动和频繁换向。 ( 5 ) 液压传动系统操作简单，调整控制方便，易于实现自动化。特别是与机、电、气 联合使用，能方便地实现复杂的自动工作循环。 ( 6 ) 液压传动系统便于实现过载保护，使用安全、可靠，不会因过载而造成元件损坏。 而且，由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。 ( 7 ) 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造、维修 都比较方便，且能缩短工作周期。 正是由于液压传动具有上述这些优点，因此在机械设备中被广泛地应用。有些设备是利 用其能传递大的动力，具有结构简单、体积小、重量轻的优点，如工程机械、矿山机械、冶 金机械等；有的设备是利用其操纵控制方便，能够容易地实现比较复杂的工作循环的优点， 如各类金属切削机床、轻工机械、运输机械、军工机械、各类装载机等等。近年来，液压与 微电子、计算机技术相结合，使液压技术的发展进入了一个崭新的阶段。 6 浙江大学硕士学位论文 液压传动相对于机械传动是一门发展比较晚的技术【1 4 1 。从1 7 世纪中叶巴斯卡提出静压 传递原理、1 8 世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动也只有二三百年的历史。由于 缺乏成熟的液压元件，一些通用机床到2 0 世纪3 0 年代才使用液压传动。 第二次世界大战期问，由于军事工业需要反应快、动作准确的自动控制系统，促进了液 压技术的发展。战后液压技术迅速转向农用。随着工业水平的不断提高，各种液压元件的研 制不断完善并实现各类元件产品的标准化、系列化和通用化，从而使它在机械制造、工程机 械、农业机械、汽车制造等行业得到推广应用。 2 0 世纪6 0 年代以来，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术得到了很 大的发展，并渗透到各个工业领域中。液压技术开始向高压、高速、大功率、高效率、低噪 声、低能耗、经久耐用、高度集成化等方向发展。 从2 0 世纪7 0 年代开始，电子技术和计算机技术迅速发展并进入了液压技术领域，在产 品设计、制造和测试方面采用这些先进技术，取得了显著的效益。利用计算机辅助进行液压 元件和液压系统的设计计算、性能仿真、自动绘图以及数据的采集和处理，可提高液压产品 的质量，优化其性能，降低成本，并打打缩短其生产和交货周期。在设备控制方面，利用计 算机控制液压系统，可简化操作，提高劳动生长率，提高自动化水平，并增加产品的可靠性。 所以近年来，液压行业对于计算机技术的应用给予极大的关注和重视。 我国的液压工业【l 别开始于2 0 世纪5 0 年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来 又用于拖拉机和工程机械。自2 0 世纪6 0 年代开始，从国外引进液压元件生产技术，同时自 行设计液压产品。我国生产的液压元件已形成系列，并在各种机械设备上得到广泛的应用。 目前，我国在消化、推广国外先进液压技术的同时，大力开展国产液压新产品的研制工作， 并已取得一定成效。尽管如此，我国的液压元件和液压产品与国外先进的同类产品相比，在 性能上、种类上、规格上扔存在较大的差距。 为了迅速赶超世界先进水平，我国有计划地引进、消化和吸收国外最先进的液压技术和 产品，并对我国的液压产业进行整顿，合理调整产业结构，大力开展产品国产化工作。在 2 1 世纪，我国的液压技术必将取得更快更好的发展【16 1 。 2 1 2 、液压机的工作原理 液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的，它是一种利用液体压力能 来工作的机器。液压机一般由本体、操纵系统和泵站三大部分组成。泵站为动力源，供给液 压机各执行机构及控制机构以高压工作液体。操纵系统属于控制机构，它通过控制工作液体 的流向来使各执行机构按照工艺要求完成应有的动作。本体为液压机的执行机构。 液体压力传递原理为：在充满液体的密封容器中，旌于任一点的单位外力，能传播至全 体，其数值不变，其方向垂直于容器表面。根据这个原理，在一个充满液体的连通器里，一 端装有面积为a 。的小柱塞，另一端装有面积为a 。的大柱塞。柱塞和连通器之间设有密封装置， 7 浙江大学硕士学位论文 使得连通器内部形成一个完全密封的空间，液体不会外泄。当小柱塞上施加一个外力f 。时， 则作用在液体上的单位压力为p = f ，a 。按照液体静压力传递原理，这个单位压力p 将以不变 的数值传递到液体的每一个质点，并且其作用方向垂直于其作用面。这样在连通器另一端的 大柱塞上作用着垂直于其底面的单位应力p ，使其产生向上的推力f ：= p a 。 由此可见，只要增加大柱塞的面积，就可以由小柱塞上一个较小的力f 。，在大柱塞上获 得一个很大的力f 。，。这里的小柱塞相当于液压泵中的柱塞，而大柱塞就是液压机中工作缸 的柱塞。 2 1 3 、液压机的基本参数 基本参数是液压机的基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，反 映了液压机的工作能力和特点，也基本上定下了液压机的轮廓尺寸及本体总重。为了使产品 系列化、通用化和标准化，以尽可能的规格和尺寸来满足多种多样的工艺要求，从而大大简 化设计工作及制造工艺，有利于组织专业化生产，降低成本，提高质量和便于修配，尽可能 制订出各种液压机基本参数的标准系列。 现以最常见的三梁四柱式液压机为例，介绍液压机的基本参数。 1 、公称压力 公称压力一般是液压机的主参数，反映了液压机的主要工作能力。公称压力为液压机名 义上能发出的最大力量，在数值上等于工作液体压力和工作柱塞总工作面积的乘积。 2 、最大净空距( 开口高度) h 最大净空距h 是指活动横梁停在上限位置时从工作台上表面到活动横梁下表面的距离。 3 、最大行程h 最大行程h 指活动横梁位于上限位置时活动横梁的立柱导套下平面到立柱限程套上平 面的距离，也即活动横梁能够移动的最大距离 4 、立柱中心距l b 在四立柱液压机中，立柱宽边中心距和窄边中心距分别为l 和b 。立柱中心距反映液压 机平面尺寸上工作空间的大小。立柱宽边中心距应根据工件及模具( 工具) 的宽度来确定， 立柱窄边中心距应考虑更换及放入各种工具、涂抹润滑剂、观察工艺过程等操作上的要求。 5 、回程力 计算回程所需的力量时，要考虑活动部分的重量、回程时工艺上所需的力量、工作缸排 液阻力、各缸密封处的摩擦力以及动梁导套处的摩擦力等。 6 、允许最大偏心距e 8 浙江大学硕士学位论文 在液压机工作时，不可避免地要承受偏心载荷。偏心载荷在液压机的宽边和窄边都会发 生。最大允许偏心距是指工件变形阻力接近公称压力时所能允许的最大偏心值。在结构设计 计算时，必须考虑此偏心值。 7 、活动横梁运动速度 活动横梁运动速度分为工作行程速度及空程速度两种。应根据不同的工艺要求来确定工 作行程速度，它的变化范围很大。工作行程及空程的速度直接影响泵站供液量的计算。 8 、移动工作台尺寸及行程 在锻造、模锻以及冲压液压机中往往设置移动工作台。工作台的尺寸取决于模具的平面 尺寸及工艺过程的安排，工作台的行程则和更换模具及工艺操作方式有关。 9 、顶出器 有些液压机往往在下横梁底部装有顶出器，以顶出工件或拉延时使用。顶出器的力量及 行程完全由工艺要求来确定。 2 1 4 、液压机的结构特点 以典型的三梁四柱式液压机为例来说明液压机的结构特点。三梁四柱式液压机是由上横 梁、下横梁、四个立柱通过螺母和拉杆组成的一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。工作 缸是固定在上横梁上，工作缸内装有工作柱塞，柱塞与活动横梁相连接。活动横梁以四个立 柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。当高压液体进入工作缸后，对柱塞产生很大的压力， 推动住宿、活动横梁向下运动，使工件发生塑性变形。上横梁的两侧还有规定的回程缸，当 高压液体进入回程缸时，推动回程柱塞向上，通过顶部小横梁及拉杆，带动活动横梁实现回 程运动。液压机的工作循环一般包括停止、充液行程、工作行程及回程。 液压机是一种主要的锻压设备，广泛地应用于国民经济的各个部门。液压机与其他锻压 设备相比具有以下特点： 1 、在结构上面易于得到较大的总压力、较大的工作空间及较长的行程，因此便于压制 大型工件及较长较高的工件，这是其他锻压设备所难以做到的。 2 、与锻锤相比，工作平稳，撞击和振动很小，噪音小，对工人的健康、厂房地基、周 围环境及设备本身都有很大好处。 3 、与机械压力机相比，结构比较简单，容易制造。随着液压元件标准化、系列化、通 用化程度的提高，以及专业顶点生产的逐步实现，比较适合于中小厂家自行制造。 4 、随着大功率高速轻型崩的出现，液压机快速性能已经有很大提高，如锻造液压机的 每分钟工作循环次数可以达到8 0 一1 0 0 次，改变了过去液压机工作速度慢的状况。 9 浙江大学硕士学位论文 2 2 、有限元分析方法 2 2 1 、有限元法的基本思想 有限元法的基本思想n 7 1 是通过节点或单元描述，把复杂的结构合理的划分为可以计算的 微小单元，通过有限个单元的组合求出由单元描述的结构整体行为。古代的人们把圆周简化 为由有限个直线组成的多边形，可说是有限元法的最早应用。有限元法的具体应用可概括为 如下几个步骤： l 、物体的离散化 就是将拟分析的物体假想地分成有限个分区、分块或分块的集合体表示原来的物体，籍 此建立起单元力学分量与未知分量的关系式，集成结构分析方程式。 2 、挑选形函数或插值函数 物体或结构离散化后，用被称为位移模式或位移函数的近似函数对单元内的一些力学量 进行描述，单元的位移模式需满足一定的条件。 3 、确定单元的性质 所谓确定单元的性质就是对单元的力学性质进行描述。般用单元的刚度矩阵( 或柔度 矩阵) 来描述单元的性质，确立单元节点力与位移的关系。 4 、组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总刚度矩阵( 或 总柔度矩阵) ，从而建立起整个物体已知量一总节点荷载与整个物体的未知量一总节点位移 或应力的关系。 5 、解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个、甚至于成百上千万 个，对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数。 6 、进一步计算 在求得整个结构物的未知量后，可进一步求得单元的未知量。在有限元法的物理一数学 描述中，一般有两种求解微分方程的方法：力法和位移法。由于位移法可以满足动力学的协 调性，并且通过借助于与时间有关的位移矢量，可用于动态和非线性问题，同时通过附加函 数可保证满足几何的边界条件，所以有限元法一般都采用位移法求解。由上面的过程还可以 看出，用有限元法解决问题工作量很大，不借助于电子计算机的帮助，有限元法的广泛应用 是相当困难的。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 、有限元法的求解过程 由于大型的有限元程序已经比较成熟，故在对某个问题进行有限元分析时，不需要再编 写复杂的程序，一般只需要进行以下三个方面的工作： 1 、前处理 前处理u 副的目的是建立有限元计算的模型，该模型应包含如下信息：节点、单元类型、 材料特性、边界条件和载荷特性等。在前处理中，有限元模型的建立及其网格的划分是主要 的工作。要准确快速地建立起有限元模型，应首先建立其三维实体模型，然后在此基础上进 行单元离散。有限元网格划分和计算分析与三维实体建模要有机结合，实体建模要尽量采用 那些后续研究所希望的方法。用户可以在软件提供的环境下建模，也可以应用其它的几何建 模软件，然后再通过通用的数据格式进行转换。在有限元分析计算中，对所分析的零件进行 正确、合理的网络划分一直是有限元分析中的难点( 尤其是三维问题的处理) ，包括选取合理 的单元类型，合适的网格大小以及网格密度等。 单元类型包括杆元、板壳元、梁元、膜元、平面应力元、平面应变元、轴对称元、三维 实体元、不可压缩单元等，基本的单元结构模型可以分为一维梁单元、二维壳单元、三维体 单元等。最常用的网格对于二维平面问题用三角形单元和四边形单元，对于三维实体问题采 用四面体单元和六面体单元。为了能自动地划分网格，三角形单元和四面体单元是比较合适 的，四边形单元和六面体单元只是对于比较规则的几何形体才能应用。通过专业造型软件转 换来的有限元几何模型，由于几何元素的复杂性，一般只能用三角形单元和四面体单元进行 网格划分。为了使得划分的网格满足一定的计算精度，有时要对网格进行处理，常用的方法 有三种：p 方法，通过提高单元形函数和位移函数的阶次，使得应力和应变的变化过程可以更 好地接近实际情况：h 方法，通过增加网格的数量来提高精度：r ：8 法，通过改变模型节点位置 来