（机械电子工程专业论文）基于有限元与人工神经网络方法的压铸机结构优化的研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 州金钒罨挝苹乏聋教授 含1 忆1 旦吹菩豸1 极援 含陀1 盟乏菩曷1 搬授 台崛1 塑走普彀拯 咖易矬 趸 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 2 历 学位论文作者签字：焱函 签字日期：2 硝j 年午月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金蟹王些态 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名丕磊， 翮躲 签字日期：埘1 年毕月2 夕日签字日期：列1 1 年群月加日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 胪彳 基于有限元与人工神经网络方法的压铸机结构优化的研究 摘要 压铸机是现代压力铸造生产中必不可少的基础技术设备，并且压铸件在现 代工业中的应用已经十分广泛，以至于压铸技术已经成为评价一个国家工业水 平的一个重要指标，所以对压铸机产品改进设计的研究是一件很有意义的事情。 本文以某企业提供的技术数据作为改进设计的主要依据。采用有限元分析 的方法对压铸机整体模型进行应力与应变分析，并通过大量的有限元分析计算， 形成用于优化设计的数据样本一一神经网络的样本空间，并以此训练了以头板、 二板、尾板厚度为输入量预测压铸机整体应力应变的神经网络，找出压铸机应 力应变和头板、二板、尾板厚度之间的映射关系。优化设计中以设定的压铸机 整体应力和应变的值作为约束条件。知道了映射关系后，再使用穷举法找出在 约束条件之下的所有适合的改进方案，然后再把所有的方案进行比较，最终找 出最佳的改进设计方案。 论文的主要目的是希望在压铸机的三大板的设计中，在满足使用要求的前 提下，能够最大限度地减少材料的使用、降低压铸机的制造成本，从而为压铸 机生产厂家创造更大的利润，为国家节约更多的原材料。这一针对压铸机的优 化设计方法为以后的压铸机改进设计提供了一个新的途径，对于其他机械产品 的优化设计也有很大的借鉴意义。 关键词：压铸机；有限元分析：神经网络；优化设计 t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ns t u d yo fd i e c a s t i n gm a c h i n e b a s e do n f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t n o w ，t h ed i ec a s t i n gm a c h i n ei s t h en e c e s s a r yt e c h n i c a le q u i p m e n ti nd i e c a s t i n gi n d u s t r y , a n dd i ec a s t i n ga p p l i c a t i o n sh a sb e e nw i d e l yu s e d i nm o d e r n i n d u s t r y , a n dt h eo fd i ec a s t i n gt e c h n o l o g yt h a th a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n d i c a t o r i ne v a l u a t i n gt h el e v e lo fn a t i o n a li n d u s t r i a l ，s oi t i sav e r ys i g n i f i c a n tt h i n gt o r e s e a r c ht h ei m p r o v e dd e s i g no ft h ed i e c a s t i n gm a c h i n ep r o d u c t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et e c h n i c a ld a t ao fa ne n t e r p r i s ei st h em a i nb a s i sf o r i m p r o v e dd e s i g n t h em o d e lo ft h ew h o l ed i e c a s t i n gm a c h i n es t r e s sa n ds t r a i ni s a n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h ed a t as a m p l e su s e dt oo p t i m i z et h e d e s i g n - t h es a m p l es p a c en e u r a ln e t w o r k s a r ec a m ef r o mt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h en e u r a ln e t w o r ki st r a i n e dt op r e d i c tt h eo v e r a l ls t r e s sa n ds t r a i no ft h ed i e c a s t i n gm a c h i n e ，a n dt h ei n p u ta r eh e a db o a r d ，s e c o n db o a r d ，t h et a i lb o a r d s t h i c k n e s s ，t h e nw ec a nf i n dt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i ec a s t i n gm a c h i n e s t r e s s - s t r a i na n dt h ef i r s tb o a r d ，s e c o n db o a r d ，t h et a i lb o a r d st h i c k n e s s t h e c o n s t r a i n t so fo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ed i ec a s t i n gm a c h i n ea r et h eo v e r a l ls t r e s s a n ds t r a i nv a l u e sw h a ta r ep r e - c o n f i g u r e d k n o w i n gt h em a p p i n gr e l a t i o n s h i p ，t h e n u s et h ee n u m e r a t i o nm e t h o dt of i n da l lt h e i m p r o v e m e n tp r o g r a m su n d e rt h e c o n s t r a i n t s ，a n du l t i m a t e l yf i n dt h eb e s tp r o g r a mb yc o m p a r ea l lt h ei m p r o v e m e n t p r o g r a m s t h em a i np u r p o s ei si nt h ed e s i g nt h et h r e ep a n e l so fd i ec a s t i n gm a c h i n e s ，t o m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r e m i s e ，w ec a nm i n i m i z em a t e r i a lu s e d ，r e d u c et h e m a n u f a c t u r i n gc o s to fd i ec a s t i n gm a c h i n e ，s oa st oc r e a t eg r e a t e rp r o f i tf o rd i e c a s t i n gm a c h i n em a n u f a c t u r e ra n dt h ec o u n t r yt os a v em o r er a wm a t e r i a l s t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o df o rt h ed i ec a s t i n gm a c h i n ep r o v i d e san e ww a y f o ri t s f u t u r ei m p r o v e dd e s i g n ，a n da l s oh a sg r e a tr e f e r e n c et ot h ed e s i g ni m p r o v e m e n to f o t h e rm e c h a n i c a lp r o d u c t s k e yw o r d s ：d i ec a s t i n gm a c h i n e ；t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；n e u r a ln e t w o r k ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n 助! 在学术上，王卫荣老师知识渊博、治学态度严谨；在工作中，王卫荣老师忘 我工作的敬业精神、诲人不倦的高尚师德感召着身边的每一位同学；在生活上， 王老师为人谦虚谨慎、处事风格干练利索。王老师的所有这些优点时时刻刻都 在感召着我、影响着我、敦促着我不断向前进步。除此之外，在我撰写论文期 间王卫荣老师自始至终都倾注了大量的心血，对我论文的选题、撰写都给予了 精心的指导。王卫荣老师不仅是一个令我尊敬的老师，更是一位对我细心关怀 的长者和朋友。 感谢机械设计教研室的高荣慧副教授、黄康教授、丁曙光副教授、赵小勇、 翟华等老师对我的指导与帮助。还要感谢教研室的所有同学，因为他们在我读 研期间无论是学习上还是生活上都给了我不少的帮助，使我能够在学校愉快的 生活轻松的学习，为此，再次向他们表示衷心的感谢! 感谢我的家人和各位亲戚朋友，感谢他们这么多年来对我无微不至的关怀， 感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 作者：孟岳 2 0 11 年4 月 目录 1 1 ”l 一3 1 2 课题来源5 1 3 课题研究的意义5 1 4 本论文研究的主要内容”5 1 5 本章小结6 第二章有限元分析方法7 2 1 有限元分析方法简介7 2 2 有限元分析方法的基本思想7 2 3 有限元分析方法的分析步骤9 2 4 本章小结1 0 第三章压铸机的有限元分析1 1 3 1 有限元分析模型的建立1 1 3 2 载荷分析处理1 4 3 2 1 动、静模板分型面上的最大载荷1 5 3 2 2 注射缸中最大压射力和冲击载荷1 7 3 3 定义边界条件并求解1 8 3 3 1 压铸机三大板和c 形架的位移约束1 8 3 3 2 压铸机载荷的施加”1 9 3 4 结果分析2 0 3 4 1 整体位移和应力情况一2 0 3 4 2 头板的位移和应力情况2 1 3 4 3 二板的位移和应力情况2 2 3 4 4 尾板的位移和应力情况2 3 3 4 5 大杠的位移和应力情况2 4 3 4 6c 形架的位移和应力情况2 5 3 5 本章小结2 6 第四章人工神经网络及其方法2 7 4 1 人工神经网络简介2 7 4 1 1 人工神经网络的发展历程2 7 4 1 2 人工神经网络的主要特征2 8 4 1 3 人工神经网络的神经元模型2 9 4 2e l m a n 神经网络结构与算法3 3 4 2 1e l m a n 神经网络的结构3 3 4 2 1e l m a n 神经网络的算法3 4 4 3 本章小结“3 5 第五章基于神经网络的压铸机结构优化设计3 6 5 1 基于人工神经网络的优化设计模型3 6 5 1 1e l m a n 神经网络输入、输出节点的选取3 6 5 1 2e l m a n 神经网络输入数据样本的归一化处理”3 7 5 1 3e l m a n 神经网络隐含层节点数的确定3 9 5 2 人工神经网络模型在m a t l a b 中实现映射关系的建立3 9 5 2 1m a t l a b 简介3 9 5 2 2m a t l a b 中的人工神经网络工具箱函数”4 0 5 2 3 数据处理4 0 5 2 4 输入、输出矩阵的建立4 0 5 2 5m a t l a b 程序的实现4 0 5 3 压铸机的优化设计4 3 5 4 预测方案的验证分析4 3 5 4 1 整体应力及位移分析4 4 5 4 2 三大板和大杠的应力及位移分析”4 5 5 5 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 论文总结4 9 6 2 存在的不足及工作展望4 9 参考文献5 1 攻读硕士期间发表的学术论文5 3 插图清单 图3 1 压铸机c 形架1 l 图3 2 压铸机头板“1 l 图3 3 压铸机二板l l 图3 4 压铸机尾板1 2 图3 5 压铸机大杠1 2 图3 - 6 压铸机长铰1 2 图3 7 压铸机小铰1 3 图3 8 压铸机的三维实体模型1 3 图3 - 9 划分好的有限元模型1 4 图3 1 0 锁模力的作用及分布1 5 图3 1 l 充型后的分型面上载荷情况1 5 图3 1 2 合模系统的载荷一变形示意图1 6 图3 1 3 二板上的模具。1 8 图3 1 4 自由度的定义1 8 图3 1 5 约束及加载后的有限元模型1 9 图3 1 6 整体应力云图”2 0 图3 17 整体位移云图2 0 图3 1 8 头板的应力云图2 1 图3 1 9 头板的位移云图2 2 图3 2 0 二板综合应力云图2 2 图3 2 1 二板综合位移云图2 3 图3 2 2 尾板的综合应力云图2 3 图3 2 3 尾板的综合位移云图。2 4 图3 2 4 大杠的z 向应力云图2 4 图3 2 5 大杠的z 向位移云图2 5 图3 2 6c 形架综合应力云图2 5 图3 2 7c 形架综合位移云图2 5 图4 1 神经元的模型2 9 图4 2 分段线性函数3 l 图4 3 无偏差的阈值激活函数曲线3 1 图4 4 有偏差的阈值激活函数曲线3 1 图4 5 对数s 型激活函数曲线3 2 图4 - 6 双曲正切s 型激活函数曲线3 2 图4 7e l m a n 人工神经网络模型3 3 图5 1 3 改进后大杠的综合位移云图4 7 图5 1 4 改进后大杠的z 向位移云图4 7 图5 1 5 改进后大杠的综合应力云图4 7 札轮钳辑钳钻钙钙稻铂 二j 表格清单 表3 1 材料及其特性参数1 4 表3 2 各向最大应力情况2 0 表3 3 二板的最大应力情况2 3 表3 4 尾板的应力及位移情况2 4 表5 1 数据对应表3 7 表5 2 修正后的数据对应表3 8 表5 3 归一化后的数据对应表3 8 表5 4 改进前后对比表4 8 发展之路，但是相比于历史更加悠久的铸造技术，它还是一种非常年轻的制造 技术。由于它的诸多优点，使得压铸件的应用受到了普遍关注，随之而来的便 是其应用领域日趋扩大，如今已经遍及到了工业界的各个门类，发展势头非常迅 猛1 1 。 压铸机是压力铸造生产中不可缺少的技术装备。由于压铸机与压力铸造工 艺的关系异常密切，所以每一次出现新的压铸工艺或者新的压铸技术时都会 出现相应的或者更加先进的压铸机来充当它们的技术支撑，因而，压铸机不可 避免的便在压铸技术的发展过程中自始自终都要担负着重要的角色，同时，压 铸机的发展也反过来推动着压力铸造技术的发展。 1 1 1 国外概况心。9 1 国外压铸机的发展起步较早，甚至可以追溯到1 9 世纪初期印刷工业中普遍 使用的铅字的铸造生产。当时为了适应全球快速发展的印刷业，使得印刷中的 铅字使用量大增，于是便产生了专门用来铸造铅字的压铸机，它是在1 8 0 5 年由 美国的w i l1i a mw i n g 制成的。其后又产生了一种更加先进的铸字机，这台铸字 机配备了可以用于压射的活塞。但是很快便又出现了一种铸字效率更高、铸件 质量更好的一种压铸机，由于它具有的突出优点，使它风靡全球近2 0 年。 1 8 4 9 年，s t u r g i s 制造了第一台用压铸法把铅铸成活字的压铸机。可以 说这就是压铸机的祖先，这台压铸机具有速度快、效率高，既经济，又可重复 生产等特点。这台压铸机标志着压铸的“黄金时代 的开始。18 6 8 年，c h a r l e s b a b b a g e 用一台手动压铸机生产出了机械式计算机零件，开创了在压铸机上使 用带刃边浇口的模具进行压铸生产的技术。随后，l8 7 2 年，又有一种获得专 利的小型手动压铸机问世，它的问世也同时标志着原始的热室压铸机所使用 的压射机构雏形的形成。于是导致1 8 7 7 年出现了在其基础上又添加了可以水 平移动的模具的压铸机，它的出现开辟了模具使用方法的新途径，也使得典型 的热室压铸应运而生。 到了1 9 世纪中叶以后，经过b r u c e 、s t u r g is s 、b a r r 和p e l iz e 等等诸 多压铸先驱们的不断努力，使得压铸机不断的被革新、被推广，也由于它具有 的各种优点，慢慢地被工业界所广泛接纳，压铸件也开始日益被广泛应用。最 初被使用的压铸件主要是由制成的，这些压铸件大多被用在小型的生活机械用 品之中。但是随着工业上新机械的不断涌现，新的压铸件的需求也与日俱增， 对压铸件的要求也变得苛刻起来，渐渐的铅、锡合金的压铸件已经跟不上了工 一家汽 车公司采用压铸法生产了汽车上的连杆支承架，这一做法开启了汽车工业使用 压铸件的先河，这也是压铸发展的历史上的一个重要拐点。由于汽车工业的快 速发展，使它开始逐渐取代了在压铸工业中占据重要地位的印刷工业的位置， 而成为使用压铸件的头号大用户。 另外，热室压铸机的浇注方式也取得了重大的进步。先前的热室压铸机使 用的方式是先将金属液按每次所需的压射量浇入浇壶内，然后再用活塞或者 压缩空气把金属液压射到模具型腔内。到1 9 2 0 年，m a d is o nk i p p 公司推出了 另外一种改进型的气动热室压铸机，这种压铸机压射室内金属液的量可供多 次压铸使用。到了1 9 2 8 年，m a d is o nk i p p 公司又制造生产了一种新型的热 室压铸机，它的特别之处在于水平的合模机构配上了导向系杆，并且其机械动 作是由在当时比较的先进的传动机构来实现的，这个传动机构主要是由现在比 较常见的链条和蜗轮副等组成的。它的问世标志着热室压铸机已经开始慢慢的 走向成熟。 在2 0 世纪初至第一次世界大战前的十几年间，压铸件已经开始快速吞噬着 消费市场中耐用品领域的大部分份额，比如早期木桶式的洗衣机械和一些办公 用的机械产品以及车用零部件等等。在当时的这种情况下，低熔点的锌合金压 铸件已经很难再继续满足机械工业的新要求，为了跟上时代的脚步，一些人便 开始了对高熔点合金压铸的大胆尝试，这些高熔点的合金主要包括铝、镁、铜 等金属合金。随后( 19 0 7 年) 产生了模具垂直放置的并且在压铸机压射时采用 压缩空气的一种热室压铸机。到了1 9 1 4 年，美国的d o e h le r 推出了另一种同 样也是通过压缩空气来压送熔融金属的热室压铸机，不同的是模具是水平放 置的。此后，英国及欧洲的德国和瑞典等国家的压铸机也相继发展起来。1 9 1 5 年瑞典的f r e d h u l t 则开发了另一种活塞式热室压铸机，这种活塞是借助熔融 的铅把压力传递给铝合金，可惜这种尝试也因铝合金的渗铁和对铁的粘咬而未 成功。这个时期，对镁合金、铜合金的压铸在欧美的一些国家也都进行了尝试。 正是通过前述的各种试验，才使人们渐渐意识到在当时的那种生产和技术环 境下，要想很好地对高熔点的金属合金进行压铸必须使用特殊的金属熔炉，也 就是把当时的压铸机一分为二一一熔炉和压铸机器，基于这种认识便使得压铸 机的发展史上又经历了一次大的变革。从而导致了冷室压铸机的产生。 到了1 9 2 0 年，出现了压铸机熔炉与机器就是分离的冷室压铸机，它也是为 人们所知的最早的冷室压铸机。随着不断深入的研究、试验，发现冷室压铸机 不仅适用于铝、镁合金的压铸，而且也适合于铜合金的压铸。更可以用来生产 大型复杂的锌合金压铸件。经过系列的改进与变革，冷室压铸机发展为立式 冷室压铸机和卧式冷室压铸机两种。由于卧式冷室压铸机在大型化、单元化、 2 集成化、自动化等方面的巨大优势，并且也可以进行黑色金属的压铸，因此， 在压铸机的发展进程中，一直占据着主导地位。 2 0 世纪5 0 年代后，由于全球科学技术的进步，世界工业也在快速发展， 在压铸件市场的产品多样化和数量需求的驱使下，压铸生产技术也进入了全 面发展的时期，各种各样对压铸机的改进和革新开始络绎不绝的出现。 2 0 世纪6 0 年代后期，由于镁合金压铸件的需求量增加，但是其生产方式 主要是使用生产率不是很高的冷室压铸机，却不是另外一种特别适合生产小型 压铸零件且生产率要高得多的热室压铸机。为了解决这一矛盾，于是，1 9 6 9 年 德国的一家公司便开发了一种适用于镁合金压铸件生产的热室压铸机，这台压 铸机的锁模力达到了1 0 0 吨，并且其压铸效果也很好。随后美国的c h i c a g o w h i t em e t a lc a s ti n g 公司成功地把电脑上的众多的镁合金零部件使用热室压 铸机生产了出来，并且阐述了镁合金热室压铸的各种优点。以后的十几年间， 使得镁合金热室压铸机在生产效率、耐用性、环保等方面都有重大进展。此后 出现了全电力驱动热室压铸机，它标志着压铸机的动力系统的大变革。最早的 全电力驱动热室压铸机是用无电刷伺服马达作为电力驱动的。 国外在压铸机的发展过程中，压铸机在压射系统、合模系统等方面都在不断 的改进。其中大型压铸机的发展也很迅速。 1 1 2 国内概况 建国近7 0 年来，我国的压铸工业从无到有，压铸生产有了非常大的发展， 随着我国机械、电子等工业的发展，对压铸件的需求量日益增加，以生产高质 量、高精度、大型压铸件的压铸工业得到了高速的增长和发展0 1 。 2 0 世纪4 0 年代的中后期，我国只有为数不多的进口压铸机。到了2 0 世纪 5 0 年代初时也很少，只增加了h p m 的锁模力为1 0 0 0k n 的卧式冷室压铸机和小 型热室机n 。2 0 世纪5 0 年代末到6 0 年代初，我国开始自行制造了立式冷室压 铸机和卧式冷室压铸机，并投入市场。开始有立式冷室压铸机9 0 0 型和卧式冷 室压铸机j l l1 3 型。不过当时也有企业自行设计制造了中小型压铸机。2 0 世 纪7 0 年代，为了发展压铸机系列化产品，国家有关部门组织了一些压铸相关单 位编制了压铸机型谱草案，初步对我国压铸机的系列及主要技术参数进行了规 范羽，并且设计和试制了j 11 2 5 、j 11 4 0 和j 1 1 6 3 型全液压卧式冷室压铸机。在 压铸机的设计方面，2 0 世纪8 0 年代，我国设计的压铸机的压射性能已十分接 近当时的国外水平。开展了很多相关的研究，并且从国外引进更加先进的压铸 机，新兴的电子计算机应用技术也开始逐渐被应用到了压铸工艺之中3 1 。为了 更好的推动我国压铸机的制造和生产向前发展，国家为此专门进行了国产压 铸机的一系列标准化，1 9 8 0 年颁布了第一个压铸机的参数标准，1 9 9 0 年在重新 修订颁布压铸机参数标准的同时，又颁布了第一个压铸机精度、技术条件标准， 使得压铸机的设计、制造和验收有了可参照的依据。 目前我国国产压铸机在产量和品种规格上虽然已经可以基本满足各行各业 的需求，但在技术性能和自动化方面还是比较落后，与国外的先进压铸机比 较，国产压铸机还存在不小的差距4 引。差距主要体现在以下几个方面： 总体结构设计还有待进一步优化。漏油严重；主要原因是密封件的质量差和 加工质量问题。品种规格不全，配套能力不足。高新技术的应用落后；系 列化标准化程度比较低，至今还做不到模块化设计。 因而压铸机的研究与开发就显得非常重要。李晓棠、潘贞周等n 引对大型压 铸机合模机构进行了研究，采用的是多目标模糊优化设计的原理，结合大型压 铸机合模机构的性能、尺寸要求，建立了符合压铸机实际工况的数学模型，并 用复合形法上机寻优，研究结果表明此方法可以达到减小肘杆截面积、提高扩 力比，降低能耗、减少成本的目的。肖文荣、廖湘辉n 7 ，对压铸机的合模机构进 行了分析，认为影响锁模力的主要因素是钩铰结构和拉杆刚度。但是合模油缸 的缓冲凸头如果设计不当，常常也会引起锁模力的变化。张振祥n 引用三维建模 与a d a m s 协同的方法对压铸机的合模机构进行了仿真优化设计。此方法可以极 大地缩短压铸机合模机构的设计周期和降低生产成本，对于提高我国压铸机产 品的设计水平具有重大意义。王涛、周明安等h 引对压铸机座板结构进行了优化 设计，使用的遗传神经网络与有限元分析相结合的方法。从理论上解决了结构 优化设计的瓶颈和智能问题。王卫荣、黄康阳伽研究了压铸机整机的应力应变， 为压铸机的改进设计提供了重要依据。陈海平、曾攀等晗研究了镁合金压铸机 哥林柱螺纹副的结构优化设计问题，分别选用倾斜面承载螺母与阶梯型承载螺 母结构，对镁合金压铸机哥林柱螺纹副进行了结构的优化设计，优化结果表 明：优化的设计方案可以极大地改善螺纹牙的承载均匀性( 最大承载比例由 13 3 降至4 8 ) ，使得最大应力水平显著下降( 最大约5 1 ) ，从而便有效 地提高了哥林柱螺纹副的使用寿命与抗疲劳性能。赵韩、陈科眩引等做了神经网 络在压铸机合模机构座板结构分析中的应用研究，利用人工神经网络具有非线 性映射的能力，通过选取少量的有限元分析结果作为样本，训练一个适用于结 构分析的人工神经网络，使其能够针对不同的机械结构预测其有限元分析结 果，解决了结构优化设计中优化设计的快速迭代与有限元分析需要大量计算 之间的矛盾。利用这种结构优化设计的策略，改进设计了压铸机合模机构的座板， 结果表明了该方法具有高效性。徐柯、金志明拉叫对压铸机动模板进行了拓扑优 化。通过结构拓扑优化，将不同体积约束下的拓扑优化结果进行对比，获得了 动模板在强度和刚度不变甚至增加的情况下材料的最优分布结构。按照分析结 果所作的设计，最大应力减小量、最大变形量减小与可以节省材料分别为6 、 3 7 8 和1 3 7 6 。陈就、姚彦秋心引与王卫荣、李晓燕等乜鄙对压铸机动型板所 做的三维有限元分析结构的修改和改进设计提供了重要的依据。曹标、陈明心印 4 等通过对压铸机机架柱断裂的分析，认为在机架柱上进行点焊是导致机架柱断 裂失效的主要原因。李葳、孔晓武等心7 1 建立了压铸机增压系统的数学模型，通 过对压铸机增压过程中压力飞升速度的影响因素进行分析，提出了提高压力 飞升速度的一系列方法并用仿真软件进行了验证。 1 2 课题来源 本课题源自“九五”安徽省重点攻关项目“多目标优化设计的研究及其在 压铸机产品开发中的应用 的拓展研究。 1 3 课题研究的意义 压铸机是指在压力作用下把熔融金属液压射到模具中冷却成型，开模后得 到固体金属铸件的一种工业常用机械。随着科学技术和工业生产的进步，尤其 是随着汽车工业的崛起、家电工业的快速发展，再考虑到能源、材料的节省等 等很多方面，使得压铸生产技术的发展有了二个大好的环境，从而得以快速发 展。压铸生产技术与方法不但在有色金属合金的铸造中占据着主导地位，而且 已经成为了现代机械工业中的一个重要组成部分。而这些都要依靠压铸机的发 展。 本文想在前人的基础上用三维软件建立压铸机的三维实体模型，用a n s y s 对压铸机模型进行有限元分析。然后对压铸机存在的问题进行改进设计，提出 改进方案。改进设计时采用人工神经网络的方法得到较优的改进方案。改进方 案后，虽然不能提高压铸机的整体想能，但是却能大大减少压铸机的制造成本， 提高生产厂家的经济效益。 1 4 本论文研究的主要内容 论文的重点是使用有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s is ) 软件a n s y s 对压铸机进行应力应变的分析，查看压铸机的整体受力及变形情况，希望对压 铸机的不足之处进行改进设计，改进设计时是采用有限元分析与人工神经网络 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 相结合的方法。整个过程中还要使用到 优化设计的知识。各章内容安排如下： 第一章：绪论部分，主要介绍国内外压铸机发展的历史及现状、课题的来 源以及选题的目的和意义。 第二章：对有限元分析分析方法的基本思想和分析的一般步骤进行了详细 介绍，为第三章对压铸机进行有限元分析做好理论铺垫。 第三章：对压铸机整机进行应力应变的有限元分析，研究压铸机整机在工 作中的受力和变形情况，为进一步的优化改进设计提供依据。 第四章：介绍人工神经网络的发展历程、主要特征、神经元模型以及人工 5 压铸机的结构方案进行了优化选择，优化设计实现的手段是通过m a t l a b 中的人 工神经网络函数工具箱，最后对优化的改进方案进行了验证分析。 第六章：总结及展望，总结了本文的主要工作和解决的问题，指出不足和有待 进一步解决的问题 1 5 本章小结 本章首先阐述了压铸机的发展历程，以及压铸机在现代工业中的重要地位；其次 是本论文研究课题的来源及本课题研究的意义，最后对本文的主要内容安排作了一个 概括的叙述说明。 6 第二章有限元分析方法心8 ， 2 1 有限元分析方法简介 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的 问题代替复杂问题然后再求解，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一 种弹性力学问题的数值求解方法。其基本思想是将物体( 连续的求解域) 离散 成按定方式相互连接在一起的有限个单元的组合，来对原来的物体进行模拟 活或逼近，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求 解的一种数值分析法。五十年代初期，它首先被应用于航空工业，主要是用于 对飞机结构的静态特性分析和动态特性分析，经过分析求得结构的变形情况、 应力大小和固有频率以及振型等等。由于这种分析方法的可行性，使得有限单 元法的应用从线性问题的分析拓展到了非线性问题的分析，分析的对象也从原 来的线弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非 连续体。有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方 程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。目前，国际上较大型的面 向工程的有限元软件达到了几百种，其中为人们常用的有：a n s y s 、n a s t r a n 、 a b a q u s 、a s k a 、a d i n a 、s p a 和c o s m o s 等等，随着技术的进步，它们的功能越 来越完善，现在已经包含了多种条件下的有限元分析程序，而且其前处理和后 处理程序功能也很强大。 2 2 有限元分析方法的基本思想 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的思路和做法可以归纳为 以下几种： 1 、物体离散化 将某个工程结构离散为有多种连接单元组成的计算模型，这叫做单元剖分。 并在单元体的指定点设置节点，把相邻的单元体在节点处连接起来组成单元的 集合体，以代替原来的结构。如果分析对象是连续体，为了尽可能真实地逼近 实际的连续体，这时就要慎重考虑选择单元的形状、确定单元的数目以及划分 的方案。单元节点的设置、性质、数量等应视问题的性质而定，描述变形形态 要根据需要和计算精度而定，一般情况下，单元划分越细则得到的变形情况就 越精细，即越接近实际变形，但同时也使计算量加大。所以说有限元分析中的 结构已经不再是原有的物体或结构，而是同样的材料由许多单元以一定的方式 连接成的离散化的物体。因此，用有限元分析所得到的只能是近似的。只有当 划分的单元数目多且合理时，所得到的结果才会与实际情况相符合。 2 、单元特性分析 1 ) 选择未知量模式 7 在有限元分析中，为了能把单元体的位移、应变和应力能用节点的位移来 表示，这就需要在分析连续体的问题时，必须作出一种假设一一对单元中的位 移分布的假设，也就是假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移函 数或位移模式，这种以节点位移为基本未知量的分析也就叫做位移法；仅仅以 节点力作为基本未知量是叫做力法；而以一部分节点力和一部分节点位移为基 本未知量时的方法叫做混合法。在实际问题的有限元分析应用中，用户们普遍 选择的是位移法。这是因为位移法中多项式的数学运算( 主要指的是微分和积 分运算) 比较简单，并且用多项式可以对所有光滑函数的局部进行逼近，使用 的方法即是所谓的不完全的泰勒级数。其中所包含的多项式项数和阶次则是结 合单元的自由度和解的收敛性来确定的。 根据所选择的位移函数，就可以推导出使用节点位移表示的单元内任意一 点的位移关系表达式式，其矩阵的表达形式为： f = n 6 t ( 2 - 1 ) 式中：厂一一单元内任一点的位移列向量； 一一形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数； 万。一一单元的节点位移列向量。 2 ) 分析单元的力学性质 根据所分析结构单元的材料性质、尺寸、形状、位置、节点数目和含义等 找出节点位移和节点力的关系式，这一步骤在有限单元法的分析过程中是至关 重要的。这一重要步骤需要应用弹性力学中的物理方程和几何方程建立力和位 移的关系式，然后导出单元刚度矩阵，这是有限元分析中的基本步骤之一。 位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性分析。它主要包括以下三 方面内容： 利用几何方程，由位移表达式( 2 - 1 ) 导出的以节点位移表示的单元应变 的关系式为： s - - b 万p( 2 2 ) 式中：占一一单元内任意一点的位移列向量； 召一一称为单元的应变矩阵。 利用物理方程，由应变表达式( 2 - 2 ) 导出的以节点位移表示的单元应力的 关系式为： 盯= 伽万。 ( 2 3 ) 式中：口一一为单元内任一点的应力列向量； d 一一称为与单元材料有关的弹性矩阵。 利用虚功原理建立作用于单元上的节点和节点位移之间的关系式。即单 元的刚度方程 k = 姒b d 胁d y d z ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 的积分应包括整个单元的体积。 在上述的三项计算中，导出单元的刚度矩阵是单元特性的核心内容。 3 ) 计算等效的节点力 弹性体经过离散化后，经过离散化的物体是假定力是通过节点从一个单元 传递到另一个单元的。但是，这仅适用于离散化的物体，实际中面临的都是连 续体，在连续体中力的传递是经由单元的公共边界来完成的。所以，在分析中 就要把单元边界上的所有的载荷都要等效地移植到所对应的节点上，这些载荷 包括：集中力载荷、体积力载荷和面力载荷，也就是用单元节点的等效力来代 替作