MC80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计【优秀】

   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                                                         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：  MC80 型双主机大梁冲机身结构                                                    有限元分析 及优化设计                                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  MC80型 双主机大梁冲机身 结构有限元分析及优化设计  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。 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。  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 MC80型 双主机大梁冲机身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：   MC80 型 双主机大梁冲机身 结构                     有限元分析及优化设计                     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。 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。  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 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；  （ 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 :  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；  其他数据（材料等）见图纸。  2.3 技术要求  （ 4）  要求校核 MC80 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 1.5 2万汉字；  （ 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 8-11 周：   第 12 13 周：   第 14-15 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  参观扬力集团压力机    今天下午我们来到扬州扬力集团参观实习，主要是通过参观听讲解来了解压力机的基本原理构造。 江苏扬力集团位于江苏省扬州市邗江区霍桥镇 ，创建于 1954年，是一家长期致力于锻压机械与数控机床的研制、生产与销售的企业集团，集团是以江苏扬力锻压机床有限公司为母公司成立的，其控股子公司为：江苏富力数控机床有限公司、江苏国力锻压机床有限公司、江苏扬力铸锻有限公司、江苏扬力坚城锻压机床有限公司、江苏扬力模具有限公司等 5 家中外合资、股份公司、全资公司。目前扬力集团已成为国内生产压力机数量最大、品种最多、规格最全的企业，中国锻压机床行业的龙头企业，现价工业总产值和销售量在全国锻压行业排名第一， 2008年实现产值 17.5 亿元。 机械压力机是用曲柄连杆或肘杆机 构、凸轮机构、螺杆机构传动的锻压机械，用于对材料进行压力加工的机床，通过对坯件施加强大的压力使其发生变形和断裂来加工成零件。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，广泛应用于汽车、船舶等工业机械压力机。中国国产的第 1台机械压力机于 1955年 12月在济南第二机床厂制造成功 。压力机的工作原理： 机械压力机工作时 (图 2), 由电动机通过三角皮带驱动大皮带轮（通常兼作 飞轮 ） ,经过齿轮副和 离合器 带动曲柄滑块机构 ,使滑块和凸模直线下行。锻压工作完成后滑块回程上行 ,离合器自动 脱开，同时曲柄轴上的制动器接通，使滑块停止在上止点附近 。    机械压力机  每个曲柄滑块机构称为一个 “ 点 ” 。最简单的机械压力机采用单点式，即只有一个曲柄滑块机构。有的大工作面机械压力机，为使滑块底面受力均匀和运动平稳而采用双点或四点的。    机械压力机的 载荷 是冲击性的，即在一个工作周期内锻压工作的时间很短。短时的最大功率比平均功率大十几倍以上，因此在传动系统中都设置有飞轮。按平均功率选用的电动机启动后，飞轮运转至额定转速，积蓄动能。凸模接触坯料开始锻压工作后，电动机的驱动功率小于载荷，转速降低，飞轮释放出积蓄的动能进行补偿。锻压工作完成后，飞轮再次加速积蓄动能，以备下次使用。  机械压力机上的 离合器 与 制动器 之间设有机械或电气连锁 ,以保证离合器接合前制动器一定松开 ,制动器制动前离合器一定脱开。机械压力机的操作分为连续、单次行程和寸动（微动），大多数是通过控制离合器和制动器来实现的。滑块的行程长度不变，但其底面与工作台面之间的距离（称为封密高度），可以通过螺杆调节。  生产中，有可能发生超过压力机公称工作力的现象。为保证设备安全，常在压力机上装设过载保护装置。为了保证操作 者人身安全，压力机上面装有光电式或双手操作式人身保护装置。  对于即将走向社会的毕业生，我越来越觉得自己身上的担子在加重，是时候该去发挥一下自己的能量了，众所周知， 在经济快速发展的今天 ,机械制造自动化在我国的生产行业中占有着重要的地位。机械自动化主要是指在进行生产加工中所用到的机械进行自动工作 ,从而实现脱离操作工人进行加速生产资料的投入、加工速度提高的连续高强度的工作。在工业中说到机械自动化的发展就是说对整体的机械技术的改造、更新、升级所进行的主要手段。科学技术的发明是由于在实际的生产活动不断的运用、创新、实 践所得来的。所以我们应该对于科学技术的研究进行大力度的投入 ,使得机械自动化在将来能够发展的更加完善。从而是我国的工业生产得到长足的发展进步。 对于我自己来说，在大学里学到的偏理论较多，不太注重实践，因此，去了工厂后还需要坚持不懈的学习，只有自己掌握到了精髓，才能为自己，为企业，大到为国家做出自己应有的贡献！       广陵学院毕业设计（论文）开题报告      学  生  姓  名：                 学号：                                  专        业：                                                                        设计（论文）题目：              MC80 型双主机大梁冲机身结构                                     有 限元分析及优化设计                          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。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。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。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 2是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动的锻压机械 ,用于对材料进行压力加工的机床 ,通过对坯件施加强大 的压力使其发生变形和断裂来加工成零件。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 ,广泛应用于汽车、船舶等工业机械压力机。  最初的机械压力机的锻压操作是通过曲柄滑块机构 3来实现的 ,即将电机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动 ,从而对零件进行加工 , 机械压力机在一个工作周期内锻压操作集中于很短的时间内 ,即所说的具有冲击性的载荷 ,这也是工件塑形变形的高峰负荷区域。在这段很短的时间内 ,最大功率要比平均功率大十几倍以上。为了实现这种效果 ,必须在传动系统中设置飞轮来为实现这 巨大的瞬时功率提供动能。曲柄滑块机构型的机械压力机随着经济和工业的发展 ,呈现出很大局限性，这样多连杆驱动这一概念  就应运而生了。早在上世纪  20 年代 ,它就第一次在文献中出现的该技术被为 “ 专利快返  压机驱动 ” 技术。 1950 年德 国 BLISS-MECHEAL 公司制造的称为 “ 均匀行程 ” 的压机被介绍为 “ 可以提供比较慢的拉深速度、较快的上行程 ,从而提高生产率的压力机 ” 。传统曲柄滑块机械压力机具有在上下模时冲击速度过高、滑块速度递减过快、公称压力不能及时完全达到导致无法拉深较深的零件等缺陷 ,而多连杆压力机克服了这些缺陷使 其具有理想的运动曲线 ,更加适合于冲压生产。机械多连杆压力机的具有以下优点 4为 :若机构只设计很小的偏心距 ,也能够达到相对比较大的冲压滑块的行程 ,更好地满足冲压工艺和机器自动上料下料的需要 ； 可以实现较大的拉深深度。在允许的条件下 ,机械多连杆压力机拉深深度可达  320mm,而一般曲柄压力机只有 70mm 左右 ； 成形过程速度低且均匀 ,而空程运行时速度快 ,因此生产率高 ； 可以有效地减小工作过程中冲压滑块中对冲压模具的冲击 ,以提高模具的使用寿命 ,也就提高了成形零件的质量 29。  多连杆机械压力机理论上可以通过 设计和改造传动系统的结构来实现绝大多数的冲压工艺曲线 ,因此对多连杆压力机而言 ,满足用户工艺曲线要求的多连杆杆系设计和性能优化是技术核心 ,也是难点。国内外许多学者对机械多连杆压力机进行大量的研究。  多连杆压力机尤其是大型重载多连杆压力机是机械压力机技术发达程度的最新体现。国外许多著名的压力机生产商 ,如日本的小松制作所 (KOMATSU)、会田 (AIDA)、德国米勒万家顿 (Mller WeingartenAG)等均研制开发了多种型号的机械多连杆压力机 ,其产品代表当今机械多连杆压力机的最先进水平。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的机械压力机、德国埃尔富特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的高速精密压力机等多种压力机产品技术 ,使我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高。但是 ,国内多连杆压力机主要依靠进口技术 ,缺乏自主创新开发能力 ,这致使中国在这一领域始终处于落后的地位。目前 ,国内主要有中国第一重型机械厂、济南二机床、齐二机床公司、上海锻压机床厂等厂家研发生产大型机械压力机 ,这也代表了中国大型机械压力机生产制造的最高水平。但由于设计制造水平、工艺水平及加工机床能力和精度的限制 ,与国 际先进水平相比仍存在差距。同时受国外厂商技术保护的影响 ,中国引进的技术只是在国际上已较为落后的机型及图纸、规格等 ,而且要价高昂 ,外方还不提供设计思想、设计方法和设计手段。 Hsieh 等 5利用增广拉格朗日法对瓦特链六连杆机构的机械压力机进行尺度优化设计 ,使其冲压滑块具有均匀的速度、稳定的机械增益比、快速回程特性和较小的滑轨侧向力 ,更适合用于板料拉延工艺。 Tso 等  6提出由齿轮五连杆机构和曲柄滑块四杆机构组成的九连杆机构 ,为得到较好的运动学特性 ,运用试错法进行连杆机构的尺度综合研究 ,但九杆连杆机构的设计 变量较多 ,结构复杂 ,给优化带来一定难度。赵升吨等 7-8在分析通用机械压力机曲柄连杆滑块工作机构运动特性存在不足的基础上 ,提出研制一种具有低速锻冲急回特性的新机构。分析目前常见的低速锻冲急回机构 负偏置机构、连杆曲线型六杆机构、齿轮连杆组合机构、椭圆齿轮机构和双曲柄串连构等的运动特性、优缺点及其适用场合。通过对斯蒂芬森六连杆机构滑块产生低速运动机理的分析 ,指出机械压力机滑块能否产生低速运动主要是由连杆曲线是否具有低速运动段所决定的。并采用遗传优化算法对双曲柄串联机构参数进行优化设计。何予鹏等 9设计一种 双电机驱动的机械压力机传动系统 .该传动系统主要由差动轮系、行星轮系和  2 个普通电机组成 ,通过控制  2 个电机的运转和停止 ,使得机械压力机滑块得到  2 种不同的工作速度 ,从而既保证滑块的工作效率 ,又大大降低滑块锻冲时的工作速度。 Hsieh 等 10提出将十字滑块联轴器应用在瓦特型多连杆压机中 ,通过运动学建模和计算仿真 ,认为该设计具有很好的输出运动特性。 Ham 等 11则设计一种曲柄弧线导杆机构驱动的多连杆压力机 ,并将该驱动机构与其他压力机多连杆机构 (曲柄连杆和直线导杆机构 )的运动学性能和负荷能力进行分析和 对比。 Mundo 等 12以提高机械压力机运动学性能为目的将凸轮引进连杆机构并进行平面凸轮连杆机构的型综合研究 ,经过两步型综合优化法 ,得到适用于深拉伸和精压的连杆构型。 Doege 等 13-14利用非圆齿轮的运动特性以获得不同的冲压滑块运动特性 ,满足不同的冲压工艺需要。 Chiou 等 13是以减小压力机驱动机构的摆动力和摆动力矩为目标 ,通过盘式配重法进行机构动力平衡综合 ,多目标优化平衡。 Neumann 等 15使用三个不同复杂程度的数学模型和计算机仿真对单点驱动偏心式机械压力机的动态性能如 :工作精度 、冲压滑块的倾斜度、机座的弹性变形、不同轴承间隙配合对摩擦损耗的影响等进行研究 ,并得到实验结果的验证 28。  1.2有限元的发展  有限元法 (Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方法 ,它是 20世纪 50 年代末 60 年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法最初应用在工程科学技术中 ,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题 ,有限元法则是一种有效的分析方法。 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 30。这种化整为零 ,集零为整的方法就是有限元的基本思路 16。有限元法是 R.Courant 于 1943 年首先提出的 17。自从提出有限元概念以来 ,有限元理论及其应用得到了迅速发展。过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题 ,都得到了新的解决方案。传统的 FEM 假设 :分析域是无限的 ；材料是同质的 ,甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的 ；对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等 18。为解决这类问题 ,美国学者提出用 GFEM (Gener-alized Finite Element Method)解决分析域内含有大量孔洞特征的问题 19；比利时学者提出用 HSM(the Hybrid metis Singular element of Membraneplate)解决实际开裂问题 20。在 FEM应用领域不断扩展、求解精 度不断提高的同时 ,FEM也从分析比较向优化设计方向发展 21。印度 Mahanty 博士用 ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计 ,结果不但降低了约 40%的前桥自重 ,还避免了在制造过程中的大量焊接工艺 ,降低了生产成本。 FEM 在国内的应用也十分广泛。自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统 JIGFEX后 ,有限元法渗透到工程分析的各个领域中 ,从大型的三峡工程到微米级器件都采用 FEM 进行分析 22-23,在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。目前在进行大型复杂工程结构中的物理场分析时 ,为了估计并控制误差 ,常用基于后 验误差估计的自适应有限元法。基于后处理法计算误差 ,与传统算法不同 ,将网格自适应过程分成均匀化和变密度化 2 个迭代过程。在均匀化迭代过程中 ,采用均匀网格尺寸对整体区域进行网格划分 ,以便得到一个合适的起始均匀网格 ；在变密度化迭代过程中只进行网格的细化操作 ,并充分利用上一次迭代的结果 ,在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化 ,保证了全局网格尺寸分布的合理性 ,使得不同尺寸的网格能光滑衔接 ,从而提高网格质量。整个方案简单易行 ,稳定可靠 ,数次迭代即可快速收敛 ,生成的网格布局合理 ,质量高 24。   1.3ANSYS综述  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 25。 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 31。  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 26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。  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。  参考文献：  1 林静，机械压力机故障诊断系统的研制，广东工业大学硕士学位论文， 2013.6 2 1. Voelkner W. Present and future developments of metal forming: selectedexampleJ. J Mater Process Technol. 2000； 106: 236 242 3 何德誉 . 曲柄压力机 M. 北京 :机 械工业出版社 . 1981:1-3 4 白勇军 . 大型重载伺服机械压力机的关键技术及实验研究 C. 上海 :上海交通大学 ,2012 5 Hwang, W.M., Hwang, Y.C. and Chiou, S.T. A drag-link drive of mechanical presses for precisiondrawing J. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1995, 35 (10), 1425 1433. 6  Tso, P.L. and Liang, K.C. A nine-bar linkage for mechanical forming presses J. International Journalof Machine Tools and Manufacture. 2002, 42 (1): 139 145. 7 赵升吨 ,何予鹏 ,王军 . 机械压力机低速锻冲急回机构运动特性的研究 J. 锻压装备与制造技术 .2004, 38(3): 24-32.   8 何予鹏 , 赵升吨 , 王军 , 袁建华 . 具有低速锻冲特性的机械压力机 工作机理的研究 J. 机械工程学报 . 2006,42(2):145-149. 9 何予鹏 ,陈合顺 ,娄伟 ,赵升吨 . 机械压力机双电机驱动传动系统研究 J,河南农业大学学报 . 2007,41(5): 588-590. 10  Hsieh, W.H. and Tsai, C.H. On a novel press system with six links for precision deep drawing J.Mechanism and Machine Theory. 2011, 46: 239 252. 11  Ham, K.C. and Jang, D.H. Kinematical analysis on the several linkage drives for mechanical presses J.Journal of Mechanical Science and Technology. 2009, 23(2): 512524. 12  Mundo, D., Danieli, G. and Yan, H.S. Kinematic optimization of mechanical presses by optimalsynthesis of cam-integrated linkages J. Transactions of the Canadian Society for MechanicalEngineering. 2006, 30 (4): 519 532. 13  Doege, E. and Hindersmann, M. Optimized kinematics of mechanical presses with non-circular gearsJ. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1997, 46 (1): 213 219. 14  Doege, E., Meinen, J. Neumaier, T. and Schaprian, M. Numerical design of a new forging press driveincorporating non-circular gears J. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B:Journal of Engineering Manufacture. 2001, 215(4): 465-471. 15  Neumann, M. and Hahn, H. Computer simulation and dynamic analysis of a mechanical press based ondifferent engineer models J. Mathematics and computers in simulation. 1998, 46(5-6): 559 574. 16  崔红新 ,程方荣 ,王健智 .有限元法 及其在生物力学中的应用 J.中医正骨 ,2005,17(1):53 -55. 17  李开泰 ,黄艾香 ,黄庆怀 .有限元方法及其应用 M.西安 :西安交通大学出版社 ,1992:1 -3. 18  于亚婷 , 杜平安 , 王振伟 . 有 限 元 法 的 应 用 现 状 研 究 J. 机械设计 ,2005,22(3):6 -8. 19  Daniel S Pipkinsay, Satya N Atlurib. Applications of the threedimensional method finite element alternating methodJ . Fi-nite Elements in Analysis and Design, 1996(23):133 -153. 20  Theofanis Strouboulis, Lin Zhang, Ivo Babu ska. Generalizedfinite element method using mesh -based handbooks: applica-tion to problems in domains with many voids. Compute J.Methods Appl. Mech. Engrg, 2003(3):3 109 -3 161. 21  韩  西 ,钟  厉 ,李  博 .有限元分析在结构分析和计算机仿真中的应用 J.重庆交通学院学报 ,2001(20):124 -126. 22  吴梦喜 ,王建锋 ,苏爱军 .三峡库区寨坝变形体的渗流变形有限元耦合分析 J.岩土工程学报 ,2003(4):445 -448. 23  方华军 ,刘建设 ,任天令 .硅基 PZT压电驱动 MEMS光开关的设计与优化 J.微纳电子技术 ,2003(7 /8):400 -403. 24  杨晓东 ,申长雨 ,李  倩 .结构自适应有限元分析中的高质量 网格生成方案 J.机械工程学报 ,2009,45(8):292 -297.   25  谷俊斌 U贾宏玉 ANSYS软件在工程力学专业教学中的应用   中国冶金教育   26  莫维尼 .有限元分析： ANSYS理论与应用 M.北京 :电子工业出版社 ,2005 27  刘伟，高维成等 ANSYS12.0 宝典 M.北京 W 电子工业出版社 2010. 28  白勇军，大型重载伺服机械压力机的关键技术及实验研究，上海交通大学， 2012 29  黄讯，三伺服电机驱动机械压力机的设计与研究，上海交通大学， 2013.2 30  陈锡栋 ,杨  婕 ,赵晓栋 ,范细秋 ,有限元法的 发展现状及应用 , 浙江海洋学院机电工程学院 ,浙江舟山  316000  2013.6 31 王亚利 , ANSYS软件在机械结构分析中的应用 , 佛山职业技术学院， 2014.3                                     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。 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。  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。  2.2课题分析  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：  （ 6）  对 MC80型 压力机机身 进行三维实体建模 ；  （ 7）  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；   （ 8）  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；  （ 9）  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 ） ；    （ 10）  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。  2.3方案定制  (1).先熟悉和了解 Solidwords 软件和 ANSYS软件 ；  (2).在 Solidwords里画出 MC80型 压力机的三维模型；  (3).将精整压力机的模型导入 ANSYS软件；  (4).添加材料特性：机身材料是 Q235A,密度 =7800 /m3；  (5).对单元进行网络划分，遵循 “ 均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划 ” 的原则；  (6).对模型选择自由端和固定端，并添加约束条件；  (7).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布载荷；  (8).对压力机进行应力场分析；  (9).分析压力机在加载情况下机身 变形情况以及应力和应变分布规律；  (10).对机身结构进行结构静态分析优化，评价载荷对压力机工作性能的影响，从而选择合适的机身尺寸和材料厚度，尽量减轻机身的重量；  (11).对压力机进行自由模态分析，得到机身结构的固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其对工作的状况的影响；  (12).通过分析结果，改善应力状况和改变相关尺寸变量，以减轻总体质量，然后进行有限元分析，检验刚度和强度，依次重复以上步骤，直至取得最佳方案。           方案定制的框图        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  MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及其优化设计  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  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          II 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 目录  中文摘要  . IV Abstract . II 第一章   绪论  . V 1.1 压力机的发展与综述  . V 1.1.1 压力机的综述  . V 1.1.2 我国压力机的概况  . VI 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  . VII 1.2.2 要研究和解决的问题  . VII 1.3 本章小结  . VII 第二章   有限单元法 . VIII 2.1 有限元的发展与现状  . VIII 2.2 ANSYS 软件简介  . XIII 2.3 有限元基本思想  . XI 2.4 本章小结  . XV 第三章   压力机机身的静态分析  . XV 3.1 机身简介  . XV 3.2 几何模型的建立 . XVI 3.2.1 单元的 选择与 划分  . XVII 3.3 边界条件的施加 . XVIII 3.3.1 载荷的施加  . XVIII 3.3.2 边界约束条件  . XIX 3.4 材料特性  . XIX 3.5 计算结果分析  . XIX 3.5.1 应力和变形要求 ：  . XIX 3.5.2 应力图形显示  . XX   IV 3.5.3 变形图显示  . XXI 3.5.4 应力分析  . XXIII 3.5.5 变形分析  . XXIII 3.6 本章小结  . XXIII 第四章   机身结的构优化  . XXIII 4.1 优化分析  . XXIV 4.2 优化方案一 ：  . XXIV 4.2.1 实体模型图  . XXIV 4.2.2 应力图显示  . XXIV 4.2.3 变形图显示  . XXV 4.3 优化方案二 ：  . XXVII 4.3.1 实体模型图  . XXVII 4.3.2 应力图显示  . XXVIII 4.3.3 变形图显示  . XXVIII 4.4 优化方案三 ：  . XXXI 4.4.1 实体模型图  . XXXI 4.4.2 应力图显示  . XXXI 4.4.3 变形图显示  . XXXII 4.5 结果表格  . XXXV 4.6 本章小结  . XXXVI 第五章   压力机的模态分析  . XXXVII 5.1 模态分析概念  . XXXVII 5.2 模态分析的作用 . XXXVII 5.3 模态分析的的方法与步骤  . XXXVII 5.3.1 模态分析的的方法  . XXXVII 5.3.2 模态分析的的步骤  . XXXVIII 5.4 机身的模态分析 . XXXIX 5.5 本章小结  . XLV 第六章   结论与展望 . XLVI   V 致谢  . XLVII 参考文献  . XLVIII                                 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  VI 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。    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  VII 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；  （ 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  VIII 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。                       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  IX 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。  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  X 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  XI 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：    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：    XII 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。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  XIII 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  ；  （）  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   ；    XIV 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。     XV 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。                     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  XVI 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