JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计【优秀】

  JS-500精整压力机 机身 结构  有限元分析及改进设计        专     业：   学     生：         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：   JS-500 精整压力机机身结构                            有限元分析及改进设计               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  JS-500 精整 压力机 机身 结构有限元分析及改进设计  课题性质              课题来源  A B C D            课题简介  本课题 来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500 精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的， 适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺 。 要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整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 JS-500 精整 压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。  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：    JS-500 精整 压力机 机身 结构                      有限元分析及改进设计       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：   本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500 精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的， 适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺 。 要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整 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 JS-500 精整 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 JS-500 精整 压力机 机身结构 进行三维实体建模 ；  （ 2）  了解 JS-500 精整 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 :  JS-500；  公   称  压  力 :  5000KN；  公 称压行程： 8mm；  滑块行程长度： 300mm；  滑块行程次数： 30；  工件台面尺寸：  前后方向  1100；  左右方向  1200；  工件台面板厚： 200；  机身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ；  其他数据（材料等）见图纸。   2.3 技术要求  (4) 要求校核 JS-500 精整 压力机 在承载条件下的刚度和强度。  (5) 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。   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 1.52 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） 完成实习调研报告和开题报告；  （ 2） 完成本课题规定的设计图纸一份；  （ 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 8-10 周：   第 11 3 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    实习调研报告   参观扬力集团   由于毕业设计的需要，学长组织我们参观实习了扬力集团，作为毕业设计的一个项目，是我们机械专业的学生学习的不可分割的一部分。通过实际的样例再联系平时我们课本所学的知识，两者有机结合，增强我们的社会实践能力。  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。     集团注册资本总额为 5380 万元，占地面积 1800 亩，固定资产总值 6.2 亿元，现有员工 4000 多人，分布 在扬州经济开发区，邗江经济开发区、扬州南郊霍桥镇、扬州东郊湾头镇。规模化、现代化的生产形式奠定了扬力集团坚实的发展基础。     集团长期致力于板材加工机械的研发、生产和销售，拥有雄厚的科研力量和先进的生产设备。集团母公司致力于压力机的研发、生产，其主要产品有： J21、 J21S、JE21、 JF21、 JL21、 JZ21、 JFY21、 JHY21、 J21G、 JFC21、 J23、 J25、 JY25、 JC31、JD31、 JD36、 JE36、 J75G 等 10 余个系列 300 多个品种的高、中、普档压力机；产品均可方便配接开卷、校 平和自动送料等冲压周边设备，组成单机自动化生产线。亦可配接机械手组成多机自动化联线。  江苏富力数控机床有限公司致力于数控机床的研制开发，其主要产品有： MP 系列数控转塔冲床； MS8 系列数控闸式剪板机； MB8 系列数控折弯机。江苏国力锻压机床有限公司致力于普通型和经济型数控剪板机、折弯机的研发生产，其主要产品有：  WC67Y 系列液压摆式剪板机； WC67K 系列经济型数控液压板料折弯机； QC12Y系列液压摆式剪板机； QC12K 系列经济型数控液压摆式剪板机。江苏扬力坚城锻压机床有限公司主要致力于大型和重型压力机的研制、 生产。江苏扬力铸锻有限公司主要致力于各种铸铁、铸钢、铸铜及其它有色金属的铸造。江苏扬力模具有限公司主要致力于各种模具的设计和生产，具有设计生产塑料模具、大型金属模具、级进模具、汽车模具等各种复杂模具的能力。     知识化、年轻化的员工队伍，造就了扬力强大的研发能力和产品创新能力。公司可随时根据客户要求定制、改制特殊用途的各类专用压力机、数控冲剪折等机 床。  标准化、全优化的质量控制，确保了我们的产品质量。公司先后荣获国家高新技术企业、江苏省高新技术企业、江苏省产品质量免检企业、江苏省高新技术企业、江苏省名牌产 品、江苏省重点保护产品等等称号，并于 1998 年通过了 ISO 9001 质量体系认证。  一体化、终端化的售后服务，解除了用户的后顾之忧。公司先后在苏州、上海、安徽、浙江、广州、深圳、天津及苏中地区建立了八个较为完善的，集售前、售中、售后服务于一体的分公司和五十七个子公司、办事处，产品销售遍布大江南北，并出口到东南亚、欧美等各国。     经营企业等于经营人生，扬力人意气风发、满怀豪情地将目光聚焦世界，并定下了第十一个五年计划期间的宏伟蓝图：积极响应市政府近期提出的 再干三五年，实现新跨越 号召，积极参与政府多形式 、多渠道、多元化的招商引资，争创扬州工业第一方略中的先行企业，在优化、提升现有产品品质的基础上，专项开发制造超大型、高性能、柔性化、全自动压力机生产线及高品质数控系列产品，并大力引进行业精英人才，力争用五年左右的时间实现年销售 30 亿元，使扬力成为国际级压力机生产基地和集散中心，并跻身世界压力机生产企业前三强！   由于我们的课题是关于压力机的部分，所以我们主要参观了压力机装配车间，通过学长的介绍，我们了解了在完善现代企业制度的进程中，杨力集团凸显出生产规模化、发展专业化、管理规范化、营销网络化、研发系列化、产 权自主化、服务优质化、员工知识化的特点，并通过管理求新、技术创新、设备更新，以及集品种、品质、品位于一体的 “ 三品战略 ” ，赢得了科技优势、质量优势和市场优势。并且先后获 “ 江苏省百强重点高新技企业 ” “ 国家重点高新技术企业 ” “ 国家级邗江数控金属板材加工机械产业基地骨干企业 ” 和 “ 中国机械 500 强 ” 等称号，  “ 扬力 ” 商标也被评为中国驰名商标。  在此次参观实习中，学长重点跟我们讲解了压力机的几种类别。压力机主要工作原理就是曲柄滑块，利用偏心杆的偏心距离达到滑块上下移动的目的。滑块移动的距离正好就是二倍的偏心距离。  压力 机主要有单辗压力机和双辗压力机，据说还有多辗压力机我们没有见到。压力机工作时由电机带动飞轮，再带动齿轮，而齿轮带动偏心杆的转动，从而使压力机工作。  一般单辗压力机体形较小，多为轻量级的压力机，而双辗压力机吨位较大。双辗的工作主要区别在同步保证两杆的运动，一般有两种方法：（ 1）两个偏心杆的中间放置两个紧密咬合的齿轮（ 2）两个偏心杆的外端各放置一个小齿轮，在其上面放置一个连有两个小齿轮的连杆，使四个齿轮两两咬合。压力机又可分为开式和闭式，两者各有优劣，开式压力机视野好，便于送料，易于操作，但可能会压开出来，影 响 精度。闭式压力机精度高，但不便于操作。  同时 ,学长还告诉我们在德国等工业发达国家，已经使用技术更高的双电机压力机了，可以支持更大吨位的工作。一方面由于技术的原因，我国无法制造出双电机压力机。另一方面，因为造价太高的原因，我国大部分企业不愿意花巨资购买。所以依旧普遍在使用单个电机的压力机，这也是我们国家工业落后的地方。  通过这次的参观实习，我进一步巩固和深化所学的理论知识，弥补了实际工作中不足的一部分，同时也了解了一些机械行业的现状，可惜因为不能动手实际操作。通过此次实习将原本书本上抽象的知识变得鲜活起来，了 解了机械专业在机械行业上的具体应用。为毕业设计打好了基础，学到了很多自己以前不懂的知识。  同时了解的机械行业在我国的发展地位，意识到机械行业在我国的发展趋势。我们必须加强实际的应用学习，以使自己将来步入社会能尽快的适应工作。为我国的机械行业添砖加瓦。                   毕业设计（论文）开题报告        学  生  姓  名：                   学号：                                           专        业：                                                                   设计（论文）题目： JS-500 精整压力机 机身 结构                        有限元分析及改进设计               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 课题研究的目的和意义  1.1.1 压力机的概述  压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷、橡胶、磁材、金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。  但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机间无法进行通讯，液压回路控制简单，床身结构为经验设计等缺点，无法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化 的开发进程落后数十年。特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开压力机械的使用，压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品技术要求的提高而需要更新。  因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动强度将起到重要的作用。也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民制造业有着深远的意义 1。  机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动对坯料进行成形加工的锻压设备。能进行各种冲 压工艺以直接生成半成品或成品 2。在所有的锻压设备中，机械压力机所占比例高达 80%以上 3。  精整压力机是一种精密、高速、高效的精密整形拉深压力机，设备采用六连杆机构并进行了优化设计，使该设备既具有类似于液压机的运动特性曲线，又具有较快的行程次数 4。  1.1.2 国内外压力机的发展   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 5。  自改革开放以来，我国国民经济得到了稳定高速的发展，液压技术已广泛应用在冶金、工业设备、汽车、工程机 械、船舶、飞机、润滑系统等各个领域 6。  近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是新型压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压力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、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 念与手段，利用有限元法进行静态、动态特征的计算，对新型压力机机身作全面的分析优化。同时，对压力机的优化方法进行探索，实现真正意义上的设计7。  目前国内外大多数使用的压力机一般都采用不可调速的交流异步电动机进行驱动，这种驱动方式需要一整套的转换机构将旋转运动转换成所需要的直线往返运动，同时为了减小电动机的功率，还在传动系统中设置了飞轮，这种传动系统成本较低，但是体积笨重，变速难度大 8。  国外对于压力机的机身也有大量的研究，德国的 Neuman M.和 Hahn.H 建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。丹麦的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim 设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 9。 日本作为世界上资源最稀缺并且消耗最大的国家之一，他们的工程技术人员对节能技术的研究一直处于世界先进水平。作为日本非常有影响力的企业，口本第一电气株式会社从 20 世纪 80 年代末就开始对直驱式电液伺服系统进行研究，取得了一系列的研究成果，己经在开始在工程设备中使用 10。  目前世界锻压 设备的发展趋势是 :集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。近年来又发展了数控系统，能和电子机算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓储等相结合，构成多种系列的柔性制造单元和柔性制造系统，并向现代集成制造系统方向发展 11。  1.2 有限元的应用  1.2.1 有限元 简介  有限元法 (Finite Element Method)简称 FEM，产生于 20 世纪 40 年代。此前，工程中解微分方程的数值方法主要是差分法。由于航空工业发展的需要，对飞机的 结构要进行精细的设计与计算，以减轻质量、提高强度等，这就推动了结构力学的发展，出现了矩阵力学分析方法。 R.W.Clough (1960 年 )在分析弹性力学问题时首次提出有限元方法的名称。冯康等 (1964 年 )也提出了类似的有限元方法及变分原理。此后，有很多的工程师在土木工程、机械工程等各个领域尝试采用有限元方法分析弹性力学问题、流体力学问题、传热问题等，推动了有限方法的蓬勃发展。 1967 年， ZienkiewiczOC 和 Cheung 最早出版了有限元分析的专著。 1972 年， J.T.Oden 出版了非线性连续体的有限元 专著。有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到很好的解决，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命，带动了其他学科的发展。据估计，目前国际上，有 90%以上的机械类产品、土木工程结构要采用有限元分析方法进行分析 ， 有 70%的科技文献中会采用有限元作为分析工具 12。  李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据 13。土俊领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 14。土苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式吃剪机机架使用中存在的问题，采用ALGOR 软件对吃剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了吃剪机机架的应力、 应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对吃剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式吃剪机架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出 了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则 16。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，使机身的结构更合理 1718。史宝军等主要对 J21-160 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减轻重量又提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化 19。  ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一 ANSYS 公 司开发 20。  1.2.2 有限元的发展与现状  有限元的的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假象的离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程进度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于当时计算机尚未出现而没有被重视。直到 60年代有限元法才发展起来，是计算机的产物。美国克劳夫教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在 1960年首次提出了 “ 有限单元法 ” 这一名 称 21。我国的冯康教授在 1956年中发表的论文中也提到了有限单元法。自从  1965 年“ 有限元 ” 这个名词第一次出现，到今天有限元方法在工程上得到广泛应用，已经经历了四十年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，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，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能 源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。  随着电子计算机速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受 ,人们不必再在编写程序上花费大量的精力。不仅如此 ， 商品化有限元程序的发展 ,还使 用户能够摆脱手工网格划分、逐点输入结点坐标和单元联接信息 。 而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结果分析上鲜明的视觉效果。目前的商品化有限元程序一般分为 3个部分 ， 即前处理部分、处理部分和后处理部分。它们通过互交式计算机图形集中到 CAD /CAM系统 22。  通过对压力机机身进行有限元 分析后，对强度、刚度相对薄弱的局部结构进行改进23。  随着计算机与有限元软件的发展，用有限元法对零部件进行受力分析校核逐渐取代了原有的经典材料力学的危险截面计算法。通过测试证明，有限元法计算结果误差更小，能够为设计人员提供更为可靠的参考依据。近两年来，采用有限元分析法对机床在设计开发阶段的关键零部件进行及时分析校核，为零部件的反复优化改型设计提供了重要参考依据，使机床在生产加工前，其零部件强度和刚度己经有了较好的控制，极大减少了返工率 24。  有限元方法的一些发展趋势： 1.与  CAD 软件的无缝集成  2.更强大的网格处理能力  3.由求解线性问题发展到求解非线性问题  4.由单一结构场求解发展到耦合场问题求解  5.程序面向用户具有开放性 25。  参考文献  1 雷小宝 .新型数字化压力机的研制 D.合肥工业大学， 2007.10 2 梁建军 .伺服压力机交流永磁同步电机驱动系统的研发 D.华南理工大学， 2011.06 3 董建兴 .压力机再制造关键技术及实例研究 D.山东理工大学， 2013.04 4 张新国，韩杰，孙林，冯涛 .大吨位精整压力机快速返程时惯性冲击原因分析及对策J.江苏扬州：扬州捷迈锻压机械有限公司， 2012 5 张祖芳 .开式压力机机身的有限元分析及其优化设计 D.东南大学， 2004.03 6 沈文轩 .检测压力机的开发与研究 D.广东工业大学， 2013.05 7 周平 .新型压力机机身有限元分析和优化 D.南京理工大学， 2007.06 8 吴凡 .直流伺服电机驱动的压力机设计和研究 D.苏州大学 ,2011.11 9 任翠锋 .YH30-400液压机机身结构的有限元分析与优化 D.合肥工业大学， 2009.04 10 王汉杰 .压力机用直驱式电液伺服系统 D.河南科技大学， 2011.04 11 于晓红 .我国锻压行业近况及前景浅析 J.江苏扬 州：扬州捷迈锻压机械有限公司， 2011 12 丁科，陈月顺 .有限单元法 M.北京 :北京大学出版社， 2006. 1 13 李明典 .锤杆应力的有限元分析 J.锻压机械， 1986 (2) : 15-17 14 土俊领 .4200MM轧机机架三维有限元分析 J.重型机械， 1996 (3) : 35-39 15 土苏安 .曲柄连杆试吃剪机机架的有限元分析 J.冶金设备， 1999 (2) :11-13 16 李陪武，谢春雷 .J53-1600型双盘摩擦压力机机身有限元分析 (I)(II)R 17 史宝军，鹿晓阳，蓝静等 .J21系列压力机机身强度刚度计 算与分析 J.锻压机械  .1993(2):34-35 18 管延锦 .闭式组合机身强度和刚度的研究和优化 D:硕士论文 .山东 :山东工业大学机械系， 1994 19 史宝军，丰向军 .JB21-160型开式压力机机身有限元分析及结构优选 J.锻压机械，1993 (2) 7-10 20 余联庆，梅顺齐，杜利珍，饶成 .ANSYS在结构优化设计中的应用 J.中国水运，2007.03 21 Jeffrey M.Steel.Applied Finite Element ModelingJ.New York: Eastan KodakCompany Rochester， 1989 22 张晋红，吴风林 .有限元法及其应用现状 D.山西：太原理工大学机械工程学院， 2003 23 张祖芳，仲太生，许超 .开式压力机机身轻量化设计研究 D.南京：东南大学， 2003 24 何彦忠，林雅杰 .压力机门式机身有限元分析与校核方法 J.江苏扬州：江苏扬力集团精密机床研究所， 2013 25 蒋晨 .基于有限元技术的板材加工机械优化设计与分析 D.南京：东南大学， 2005     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 课题的 来源  本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500 精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的， 适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺。 要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整 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。  2.2 研究的问题      运用有限元分析软件 ANSYS 对 JS-500 精整压力机 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，分析各种振型对压力机工作状态的影响。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，为压力机的设计提供了理论和现实依据。主要内容有：  (1).前期准备： 收集相关资料，查阅中外文献、请教老师和同学讨论。 学习有限元分析软件，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).对 JS-500 精整压力机机身进行三维实体建模；  (3).了解 JS-500 精整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  (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；  (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。  2.3 研究的手段  (1).先熟悉和了解 Solidwords 软件和 ANSYS 软件；  (2).在 Solidwords 里画出 JS-500 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。                            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  JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计  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   摘  要  有限元分析和结 构优化等 ANSYS 技术的应用，对于降低制造成本，提高经济效益具有重要的意义。本文以 JS-500 精整压力机机身作为研究对象， 运用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对 JS-500 精整压力机进行有结构静态分析、结构优化设计以主要内容有：  （ 1）  分析了解 JS-500 精整压力机工作状态和性能。  （ 2）  对机身结构进行三维实体建模。  （ 3）  分析曲轴的受力情况和强度校核，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，求出机身应力分布规律和载荷对其工作性能的影响，并对机身进行优化设计。  （ 5）  对压力机进 行自由模态和约束模态分析，求解其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了总结和展望。   关键词 ：压力机，有限元分析，静态分析，优化设计，模态分析        II  Abstract The application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the economic benefit is of great importance. Finishing press frame based on the JS - 500 as the research object, using the finite element analysis software ANSYS Workbench to JS - 500 sizing press has a structural static analysis, the structure optimization design to the main contents are: (1) The sizing press JS 500 is analysed, and its working state and performance. (2) The fuselage structure of 3 d entity modeling. (3) Analysis of crankshaft stress distribution and intensity, the analysis on the working load, boundary conditions and loading plan. (4) Mesh, finite element structural static analysis, the stress distribution and the fuselage and load on its working performance, and optimize the fuselage design. (5) For press freedom modal and constraint modal analysis, to solve the natural frequencies and corresponding vibration mode, dynamic parameters, such as analysis of its influence on working conditions. Finally, the paper research content is summarized and prospected.  Keywords: press machine, finite element analysis, static analysis, optimization design, model analysis          目   录  摘  要  . I Abstract . II 目   录  . I 第一章   绪论  . 1 1.1 压力机的概述  . 1 1.2 国内外压力机的发展  . 1 1.3 课题来源  . 3 1.4 本课题研究的目的及意义  . 3 1.5 本课题的研究内容  . 3 1.6 本章小结  . 4 第二章  有限元方法及 ANSYS 软件简介  . 5 2.1 有限元方法简介  . 5 2.2 有限元的发展与现状  . 6 2.3 ANSYS 模态功能介绍  . 7 2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench 简介  . 7 2.5 本章小结  . 8 第三章  压力机机身静态分析  . 9 3.1 机身静力学分析过程简要流程  . 9 3.2 三维实体建模  . 9 3.3 有限元模型的建立  . 10 3.4 制定分析方案  . 11 3.4.1 考虑的因素  . 11 3.4.2 单元类型  . 12 3.4.3 网格划分  . 12   3.4.4 接触设置  . 13 3.4.5 施加边界条件  . 14 3.5 计算结果分析  . 15 3.5.1 应力和变形要求  . 15 3.5.2 结果分析  . 17 3.5.3 应力分析  . 19 3.5.4 变形分析  . 19 3.6 本章小结  . 19 第四章  机身结构改进  . 21 4.1 优化分析  . 21 4.2 优化方案一  . 21 4.3 优化方案二  . 24 4.4 优化方案三  . 27 4.5 优化方案四  . 30 4.6 选择最佳优化方案  . 33 4.7 本章小结  . 33 第五章  机身的模态分析  . 34 5.1 模态分析概述  . 34 5.1.1 模态分析理论基础  . 34 5.1.2 模态分析原理  . 34 5.2 对机身进行模态分析  . 35 5.2.1 自由模态描述分析  . 35 5.2.2 约束模态描述分析  . 37 5.3 本章小结  . 43 第六章  结论和展望  . 45 6.1 总结  . 45 6.2 展望  . 45   致谢  . 47 参考文献  . 48   JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   1 第一章   绪论  1.1 压力机的概述  压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷、橡胶、磁材、金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。  但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机间无法进行通讯，液压回路 控制简单，床身结构为经验设计等缺点，无法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化的开发进程落后数十年。特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开压力机械的使用，压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品技术要求的提高而需要更新。  因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动强度将起到重要的作用。也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民制造业有着深远的意义 1。  机械压力 机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动对坯料进行成形加工的锻压设备。能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品2。在所有的锻压设备中，机械压力机所占比例高达 80%以上 3。  精整压力机是一种精密、高速、高效的精密整形拉深压力机，设备采用六连杆机构并进行了优化设计，使该设备既具有类似于液压机的运动特性曲线，又具有较快的行程次数 4。  1.2 国内外压力机的发展  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 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   2 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 5。  自改革开放以来，我国国民经济得到了稳定高速的发展，液压技术已广泛应用在冶金、工业设备、汽车、工程机械、船舶、飞机、润滑系统等各个领域 6。  近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是新型压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压力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、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与手段，利用有限元法进行静态、动态特征的计算，对新型压力机机身作全面的分析优化。同时，对压力机的优化方法进行探索，实现真正意义上的设计 7。  目前国内外大多数使用的压力机一般都采用不可调速的交流异步电动机进行驱动，这种驱动方式需要一整套的转换机构将旋转运动转换成所需要的直线往返运动，同时为了减小电动机的功率，还在传动系统中设置了飞轮，这种传动系统成本较低，但是体积笨重，变速难度大 8。  国外对于压力机的 机身也有大量的研究，德国的 Neuman M.和 Hahn.H 建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。丹麦的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 9。日本作为世界上资源最稀缺并且消耗最大的国家之一，他们的工程技术人员对节能技术的研究一直处于世界先进水平。作为日本非常有影响力的企业，口本第一电气株式会社从 20 世纪 80 年代末就开始对直 驱式电液伺服系统进行研究，取得了一系列的研究成果，己经在开始在工程设备中使用 10。  目前世界锻压设备的发展趋势是 :集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   3 近年来又发展了数控系统，能和电子机算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓储等相结合，构成多种系列的柔性制造单元和柔性制造系统，并向现代集成制造系统方向发展 11。  1.3 课题来源  本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500 精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的，适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺。要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整 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。  1.4 本课题研究的目的及意义  近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是开式压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多压力机生产厂家都 把精力集中在开发高速度，高精度的压力机上，研究的方向不但在压力机机身上，而且已转移到整个压力机装配上，在研究的手段上不但是计算机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。我国压力机的分析水平还不高，对机身的有限元分析很多都局限于静态分析，而从动态方面来研究做得很少。随着电子技术、计算机技术与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、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。并且具有可靠性和经济效益。只有这样才能提高我国机床的产品质量和国际竞争力，推动我国名族工业的生产。  1.5 本课 题的研究内容  （ 1）前期准备： 收集相关资料，查阅中外文献、请教老师和同学讨论。 学习有限元分析软件，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）对 JS-500 精整压力机机身进行三维实体建模；  （ 3）了解 JS-500 精整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   JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   4 （ 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；  （ 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）对压力机进行模态分析，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。  1.6 本章小结  本章主要介绍了课题的研究背景，课题来源，研究目的和要求。这章内容是论文的重要组成部分，是本论文写作的背景来源。这需要我们在做毕业设计之前首先去阅读并加以理解，然后贯穿于整个设计过程中。                 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   5 第二章  有限元方法及 ANSYS软件简介  2.1 有限元方法简介  有限元法 (Finite Element Method)简称 FEM，产生于 20 世纪 40 年代。此前，工程中解微分方程的数值方法主要是差分法。由于航空工业发展的需要，对飞机的结构要进行精细的设计与计算，以减轻质量、提高强度等，这就推动了结构力学的发展，出现了矩阵力学分析方法。 R.W.Clough (1960 年 )在分析弹性力学问题时首次提出有限元方法的名称。冯康等 (1964 年 )也提出了类似的有限元方法及变分原理。此后，有很多的工程师在土木工程、机械工程等各个领域尝试采用有限元方法分析弹性力学 问题、流体力学问题、传热问题等，推动了有限方法的蓬勃发展。 1967 年，ZienkiewiczOC 和 Cheung 最早出版了有限元分析的专著。 1972 年， J.T.Oden 出版了非线性连续体的有限元专著。有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到很好的解决，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命，带动了其他学科的发展。据估计，目前国际上，有 90%以上的机械类产品、土木工程结构要采用有限元分析方法进行分析，有 70%的科技文献中会采用有限元作为分析工具 12。  李明典等用有限元法分 析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据 13。土俊领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 14。土苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式吃剪机机架使用中存在的问题，采用 ALGOR 软件对吃剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了吃剪机机架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对吃剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有 限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式吃剪机架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则 16。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，使机身的结构更合理 1718。史宝军等主要对 J21-160 型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   6 轻重量又提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元 分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化 19。  ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一 ANSYS 公司开发 20。  2.2 有限元的发展与现状  有限元的的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假象的离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程进度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元的概念早在 40年代就被人 提出，但是由于当时计算机尚未出现而没有被重视。直到 60年代有限元法才发展起来，是计算机的产物。美国克劳夫教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在 1960年首次提出了 “ 有限单元法 ” 这一名称 21。我国的冯康教授在 1956年中发表的论文中也提到了有限单元法。自从  1965 年 “ 有限元 ” 这个名词第一次出现，到今天有限元方法在工程上得到广泛应用，已经经历了四十年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，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，已经成为解决 复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。  随着电子计算机速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受，人们不必再在编写程序上花费大量的精力。不仅如此 ,商品化有限元程序的发展 ,还使用户能够摆脱手工网格划分、逐点输入结点坐标和单元联接信息 。 而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结 果分析上鲜明的视觉效果。目前的商品化有限元程序一般分为 3个部分，即前处理部分、处理部分和后处理部分。它们通过互交式计算机图形集中到 CAD /CAM系统 22。  通过对压力机机身进行有限元分析后，对强度、刚度相对薄弱的局部结构进行改进 23。   JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   7 随着计算机与有限元软件的发展，用有限元法对零部件进行受力分析校核逐渐取代了原有的经典材料力学的危险截面计算法。通过测试证明，有限元法计算结果误差更小，能够为设计人员提供更为可靠的参考依据。近两年来，采用有限元分析法对机床在设计开发阶段的关键零部件进行及时分析校核，为 零部件的反复优化改型设计提供了重要参考依据，使机床在生产加工前，其零部件强度和刚度己经有了较好的控制，极大减少了返工率 24。  有限元方法的一些发展趋势： 1.与  CAD 软件的无缝集成  2.更强大的网格处理能力  3.由求解线性问题发展到求解非线性问题  4.由单一结构场求解发展到耦合场问题求解  5.程序面向用户具有开放性 25。  2.3 ANSYS模态功能介绍  ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。  前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元 模型。包括参数定义、实体建模、网格划分。  分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。在次阶段，我们进行分析类型定义、分析选项、载荷数据和载荷选项。  后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以 上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 PC， SGI， HP，SUN， DEC， IBM， CRAY 等。  2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench简介  软件接口 ，实现数据的共 ANSYS 软件 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件 。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 享和交换，如 Pro/Engineer, I DEAS, AutoCAD JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   8 等，  是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。  Workbench 是 ANSYS 公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中 CAE软件 的异构问题。面对制造业信息化大潮、 仿真软件 的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求， ANSYS 公司提出的观点是：保持 核心技术 多样化的同时，建立协同仿真环境。  与传统 ANSYS 对比， Workbench 与其主要功能大致相同，有以下几点：   1）结构分析。用于分析结构的变形、应力、应变和反力等。结构分析包括静力分析、动力学分析。  2）热分析。热分析通过模拟热传导、对流和辐射三种热传递方式，已确定物体的温度分布。可以进行稳态和瞬态热分析，可以进行线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程。  2.5 本章小结  对本设计过程所需要的 理论依据，工具等作了简单介绍，详细的请读者参阅有关参考文献。贯穿设计过程中的思想是有限元法，在设计的后半部分，还要用到优化设计方法。其中，将有限元法应用到实际中去需要借助有限元分析软件 ANSYS Workbench，它是必不可少的工具。  所以，在进行机械设计的过程中一定要选对研究方法和研究工具，掌握研究对象特点，这样才能在设计过程中有条不紊地完成每一个部分的设计内容，最终顺利完成设计内容，交出一份高质量的设计报告。          JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   9 第三章  压力机机身静态分析  3.1 机身静力学分析过程简要流程                       3.2 三维实体建模  SolidWorks 软件采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术，是目前领先的、主流的三  维  CAD 软件。它具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析和动态仿真等多项功能，  它为广大用户提供了多种多样的设计过程专用工具。对于焊件设计，可以使用直  观的布局方法来迅速获取设计意图。通过利用焊缝、角撑板、顶盖和切割清单，迅速完成焊件设计和文档。它还包含功能强大的钣金工具，用于在折叠或展开状态创建高级钣金设计。该模块自动应用所有钣金特性（如金属厚  度、折弯半径和折弯释放槽），并自动完成法兰、切口、放样的折弯、展开、正交切除、角切除、正交处理、褶边、  转折等的创建过程。借助  SolidWorks 软件，用户可以灵活地在一个文档中创建零件、装配体和工程图的多个版本，  由此最大程度地提供重用机会。  实体模型是在 Solidworks 中建立的，因为本人认为 Solidworks 建模方便快捷，而且可以利用 ANSYS Workbench 与 Solidworks 的接口技术快速得将模型导入ANSYS Workbench 进行分析。  机身由前、 中、后三块板，左、右侧两块板，以及一个工作台组成。其中，前对机身结构进行必要简化，用 Solidworks 软件对 机身进行实体建模 。  将模型导入到 ANSYS Workbench 软件中，进行有限元分析。  对分析结果进行观察与总结，以便后续的机构优化设计。    JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   10 面的板上有一半径 340 的上半圆孔和半径 310 的下半圆孔，中间板上有一 380的孔，并与半径 340 的半圆孔是同心的，用来支撑压力机曲柄滑块机构中的曲轴。  建模时，必须对实体模型进行改造。压力机机身结构复杂，不可能将所有复杂因素都考虑在内，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。  简化建模的原则为，在尽量保留重要结构的基础上，将不影响分析的结构去除，并且不考虑倒角、圆角、凸台、螺钉孔等结构。  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。  JS500 压力机机身为半开半闭的焊接加螺栓结构，左右基本对称。  JS500 的主要技术规格如下  型         号 :  JS-500；  公   称  压  力 :  5000KN；  公称压行程： 8mm；  滑块行程长度： 300mm；  滑块行程次数： 30；  工件台面尺寸：  前后方向  1100；  左右方向  1200；  工件台面板厚： 200；  机身 材料是 Q235A，密度 37800 mkg ；  3.3 有限元模型的建立  为了进行有限元分析，必须对于实体模型进行改造，使之成为很多微小的单元和节点的组合，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加边界条件等步骤。  简化时，应根据分析类型，只考虑一些起主导作用的因素来建立机身的简化模型，因此对于某些结构凸台、螺钉孔、销孔、圆角等予以忽略。主板和主垫板、隔板、拖动架、滑块之间用螺栓连接，可视为一个整体。简化后机身实体几何模型如图 3-1 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   11 所示。      图 3-1 压力机实体模型  总体积为 3.5484 3m ，总重量为 27677kg。  3.4 制定分析方案  3.4.1考虑的因素  主要包括：  1) 几何模型对称性：考察结构是否具有对称、反对称、轴对称的特性，以缩减分析模型的规模。  2) 几何模型细节：结合分析领域和问题的类型，考虑几何模型的细节是否可做简化处理，如模型的小孔、倒角、小的突起等。  3) 问题定性：确定分析问题是线性还是非线性问题，如果是非线性问题，进一步确定是哪一类非线性，如几何非线性、材料非线性还是接触非线性。  4) 单元类型：依据 涉及的物理场、模型的形状、单元的阶次、求解的时间等因素来选定合适的单元类型。  5) 网格划分 :需要在耗费工时、计算规模和求解精度之间综合衡量，从而选定合理的网格划分方式和网格密度。  6) 载荷：考察选择哪一类型载荷和加载方式能与实际工况尽可能地等效，载荷施加尽量不做简化处理。   JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   12 7) 求解器：结合分析问题类型、硬件资源 、 求解时间和精度，选择最优的求解算法。  3.4.2 单元类型  根据对本课题的分析及研究，确定压力机结构有限元分析属于结构分析中的静力分析问题。几何模型结构具有对称性，是左右对称的。由于压力机模型是从外部导入产生的 ，因此，几何模型细节的简化处理已经考虑过了。  三维实体是由带有二次状态方程的高阶四面体或六面体实体单元进行网格划分的。在这里选择的是四面体实体单元 Solid92，如图 3-2。该单元有 10 个节点，每一个节点有三个自由度， 单元具有塑性、膨胀性、应力刚化、大变形以及大应变的能力。   图 3-2  Solid92 单元  3.4.3 网格划分  利用 ANSYS Workbench 的智能尺寸网格划分功能，网格划分器 Meshing tool 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，本人将网格尺寸选择为 40mm，精度为 100，畸变度选择 0.3。网格划分后共产生 84456 个单元， 155317 个单元节点。  精度越高，网格的质量也越好。当然，复杂几何区域的网格单元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无结果 。 有很多方法来检查单元网格质量 (mesh metrics*)。例如，一个重要的度量是单元畸变度（  Skewness ）。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在 0 (极好的 ) 到 1 (无法接受的 ) JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   13 之间的比例因子。划分网格后的机身如图 3-3 所示。   图 3-3  机身网格划分  3.4.4 接触设置  压力机轴承孔与滑动轴承外圈之间的相对运动是接触问题，接触问题需要定义接触对，在压力机身有限元分析中存在两个轴承孔，因此需要定义两个接触对。在分析之前，要先在每个轴承孔内分别建一个半轴。建一半的轴就可以了，原因是既不影响分析，又方便添加载荷。设置接触对的压力机机身如图 3-4 所示。   图 3-4 接触对设置  在两个表面的接触问题中，一个面一般被作为 “ 目标面 ” 来建立，另一个作为 JS-500 精整压力机 机身 结构有限元分析及改进设计   14 “ 接触面 ” 。对于 一个固定，一个滑动的接触来说，目标面是固定的，接触面是滑动的；对于两个都滑动的接触来说，接触面和目标面都与变形体相联系。这两个面一起被称为 “ 接触对 ” 。 Workbench中提供了五种接触类型，单从字面上很难理解这几种接触的区别，下面对其中两种常用接触类型加以解释。  Bonded(绑定 )。这是关于接触的默认设置。如果接触区域设置为绑定，不允许面和线间间有相对滑动或分离。可以将此区域看作被连在一起。因为接触长度 /面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽 略所有初始渗透。  No Separation（不分离）。这种接触方式和绑定类似。它只适用于面。不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。  在这里选择 TARGE169和 CONTA171接触对。由于轴承与轴承孔之间的接触可能存在小的相对滑动，所以选择 “ No Separation” 类型。其他的几个接触要求没有相对运动，效果相当于固连起来的，所以选择