（机械制造及其自动化专业论文）新型液压机结构分析与优化设计.pdf

硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 摘要 随着制造业的发展，大型精密拉深件制品的需求快速增长，其对生产设备的精度、 生产效率、自动化程度提出了更高的要求。而新型组合框架式液压机由于其众多的优点， 理所当然地成为了最为理想的生产此类产品的成形设备。本文重点研究y q k - 1 2 5 0 框架 式单动拉深液压机的结构分析与优化。 本文在分析液压机的基本结构基础上，采用s o l i d w o r k s 对y q k - 1 2 5 0 型液压机进行 了三维实体建模。并用a n s y s 对其进行了结构分析，为液压机的结构设计与改进提供 了理论依据。 本文进行了有限元三维整体接触分析，得出了液压机在典型工况下的结构静态特 性。通过分析，对机身设计提出改进建议，指导其进行结构优化。 采用l a n c z o s 法对液压机机身及滑块进行了模态分析，得到了机身和滑块各自前八 阶的固有频率与振型，对两者在各振型下的结构性能进行了分析，了解了它们的动态特 性。 最后，重新建立了滑块的参数化模型，并以滑块总质量为目标函数，采用子问题优 化算法，对其结构进行优化，获得了最佳的结构设计参数。 关键词：液压机，有限元，模态分析，优化设计 a b s t r a c t硕士论文 a bs t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t o f p r e c i s e d e e p d r a w i n gw o r ki si n c r e a s i n g a l s ot h em u c hh i g h e rr e q u e s t i sb r i n gu pf o rt h ee q u i p m e n t a b o u tp r e c i s i o n ，e f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o n d u et ot h ea d v a n t a g e so fa s s e m b l e d f r a m e d h y d r a u l i cp r e s s ，i tb e c o m et h em o s ti d e a le q u i p m e n t w h i c hp r o d u c e st h ed e e p d r a w i n gw o r k t a k et h ey q k - 1 2 5 0f r a m e ds i n g l e d r a w i n gh y d r a u l i cp r e s sf o ri n s t a n c e ，t h ef r a m eo f h y d r a u l i cp r e s si sa n a l y z e da n do p t i m i z e di nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h es t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fh y d r a u l i cp r e s si si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s s o l i d w o r k s i su s e dt ob u i l da3 dm o d e lo ff r a m eh y d r a u l i cp r e s s ，a n da n s y si sa p p l i e dt oa n a l y z em o d e l s s t i f f n e s sa n ds t r e n g t h w h i c hp r o v i d er e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s ea n dh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a l m e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u e s t a t i cp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cp r e s si sg o tb yu s i n g3 - d i m e n s i o ni n t e g r a lc o n t a c t i n g a n a l y s i s ，s ot h ed i s c i p l i n eo fs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ef r a m ea n di t sa s s e m b l y a r eo b t a i n e da n dt h e nt h es t a t u so fp r e t e n s i o ni sa n a l y z e d l a n c z o sm e t h o di su s e di nt h ea n a l y s i so ft h ef r a m ea n dr a mo fh y d r a u l i cp r e s s t h e d y n a m i cp a r a m e t e r so ft h ef r a m ea n dr a ms u c ha sp r e v i o u se i g h tn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d c o r r e s p o n d i n gm o d e sa r eo b t a i n e da n dt h ei n f l u e n c e so fe v e r ys t e p m o d eo ns e r v i c e p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d a tl a s t ，t h ep a r a m e t e r i z e dm o d e lo ft h er a l t li sr e b u i l t s u b p r o b l e mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mi sa d o p t e da n di t sw e i g h ti su s e da st h eo b j e c tf u n c t i o n ，t h e nt h eb e s ts t r u c t u r e d e s i g np a r a m e t e r sa r eo b t m n e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，o p t i m u md e s i g n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：阻 吁易月哕日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：丕廛墅 牛月珈 硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 在机械工业中，锻压设备是一种重要的生产工具，其应用涉及国民经济的各个领域。 锻压设备的发展水平、拥有量和构成比不仅对锻压生产起关键作用，而且在一定程度上 反映了一个国家的工业水平，目前先进工业国家锻压设备所占的比重在全部机床拥有量 的3 0 以上【l 】。液压机作为锻压机械的一种，具有功率大，精度高，规格多的特点。 随着制造业的发展，大型精密拉深件制品的需求快速提高，不仅要求其制造装备的 数量大幅增长，而且对其精度、生产效率、自动化程度提出了更高的要求。同时，拉深 件制品的品种越来越多，生产批量越来越小，为了适应拉深件制品的高精度、高效率、 多品种、小批量的要求，世界各国都在研制新型拉深设备，新型组合框架式液压机由于 其众多的优点，理所当然地成为了最为理想的成形设备。特别是当液压机系统实现具有 对压力、行程速度单独调整功能后，不仅能够实现对复杂工件以及不对称工件的加工， 而且，实现了极低的废品率。这种加工方式还适合于长行程、难成形以及高强度的材料 的加工 2 - 3 1 。可变的动力组合、短的加工时间、根据工件长度的简易的压力行程调整， 这与机械加工系统相比，具有较大的优越性。因此，液压机特别是组合框架式液压机的 技术进步已成为装备制造业发展的一个重要环节。 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。 现在，c a d c 舢w c a e 技术已得到日益普及和应用，有限元等现代结构分析方法已 为工程技术人员广为认识和使用。利用有限元技术对产品进行动静态分析、验证和优化， 可以进一步缩短设计周期，降低制造成本，提高产品的质量和可靠性。本文就是将有限 元法引入到y q k 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机的分析，为液压机的设计提供了理论依据 和指导。 1 2 液压机结构设计发展状况 液压机是一种利用液压技术进行加工的压力设备，是塑性加工领域应用最广的设备 1 绪论硕士论文 之一，在我国国民经济的各行各业，尤其是制品成型生产中得到了广泛的应用。在液压 机质量的影响因素中，液压机的设计水平是尤其重要的一个因素。液压机机身是液压机 的重要组成部分，其重量约占整机重量的6 0 以上，液压机机身的设计水平，对液压机 的技术性能、使用寿命、和制造成本有着极大的影响。由于机身的结构特点和受力因素， 决定了液压机设计的重点是机身设计。 液压机结构设计方法和理论的主要发展，经历了经验设计、数值计算、优化设计几 个阶段 4 1 。 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，把本体简化 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。 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。 优化设计阶段，人们把结构优化设计方法引入液压机设计，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 4 】。 目前，虽然已有专业技术人员与企业采用了新的设计方法来进行液压机的设计，但 在生产过程中，很多还是对液压机结构设计，采用了传统力学计算与经验设计结合的设 计方法。虽然这种设计方法经过实践证明具有一定的可靠性，但存在诸多弊端，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。随 着c a d 删c a e 技术的普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法己为工程技术设 计人员广为认识和发展，在机械加工设备设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术 成果和较好经济效益。 1 3 液压机有限元方法的应用现状 液压机机身结构设计的传统方法存在着设计周期长、结构冗余、材料使用偏保守等 诸多弊端。对此，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。 液压机的有限元分析工作，主要是从8 0 年代开始的，梁兴复，曲庆璋对多向模锻液 压机横梁进行了有限元分析，计算所得结果与理论分析比较符合，得到了较好的实际应 用 5 】o 接下来，有关这方面的研究逐渐开始增多，研究领域也有所深入。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 2 硕士论文 新型液压机结构分析与优化设计 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、灵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n t 满意的结果1 6 ； 杨秀萍、宗升发、曹晓屯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 8 1 ； 山东工业大学的李德军、李培武在对某厂新近设计的2 2 m n 液压机进行结构分析和 简化的基础上，用a n s y s 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施，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【l l 】； 王炳乐，刘开，刘龙泉以液压机上横梁为对象，通过对原结构上横梁的有限元分析， 他们认为上横梁原结构形式较为合理，但强度较为富裕。针对这一特点，他们将不带孔 侧板、带孔侧板、筒体、上面板、下面板和筋板分别减簿1 0 m m 、1 5 m m 、1 5 r a m 、1 0 m m 、 1 0 m m 、1 0 r a m 再作计算。最后，新结构和原结构相比，重量约轻4 0 0 k g ，为原重的2 5 左右【1 2 】： 叶宏克，周照耀，邵明针对2 0 0 0 k n 数控精密金属粉末液压成形设备的框架机身进 行了结构分析和优化设计，对框架机身的简化模型进行静、动态有限元计算。在静态分 析中对其进行强度校核和刚度校核，通过模态分析给出了机身振动的固有频率及相应振 型。在此基础上，采取结构改进措施，降低了设备机身的制造成本，保证了设备性能 1 3 1 ； 浙江大学的候晓望，童水光对h j y 2 7 6 3 0 单动薄板冲压液压机进行了静、模态分析 和结构动力学分析，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，在该项目中取得了显著的工程价值和经济效益 9 】； 刘茜，石维佳利用a n s y s 提供的a p d l 语言，实现了对液压机的有限元建模和参数 化分析。这种方法避免了大量重复和反复的有限元建模与前、后处理操作，产品设计效 率得到了较好的提高吲； 西北工业大学的张盛华，余心宏对快锻液压机机架进行了静动态、正偏载的应力分 布规律及模态分析，发现偏载会使机架危险截面的最大应力增大2 0 左右 2 9 1 。 以上的这些研究，都将有限元的方法引进了液压机的结构设计中，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化设计，达到降低 成本，提高效益。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。他们的研究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 绪论 硕士论文 1 4 有限元分析方法与c a e 1 4 1 有限元分析 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 杂问题后再求解。假想把弹性连续体分割成数量有限的单元，并认为相邻单元之间仅在 节点处相连。节点一般都在单元边界上，节点的位移分量作为结构的基本未知量；同时 引进等效节点力及节点的约束条件，由此组成单元集合体。由于节点数目有限，就成为 具有有限自由度的有限元计算型。它代替了原来具有无限自由度的连续体，也就是有限 元离散化。 在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设用一个简单的函数来近似模拟 其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理( 或变分原理或其它方法) 求得每个单元的平衡方程，这就建立了单元节点与节点应力之间的关系。 4 图1 4 1 1 有限元分析流程图 最后，把所有单元的这种特性关系，按照保证节点位移连续和节点应力平衡的方式 硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。引入边界约束条件后，解此方程组，就 求得节点位移，并可计算出各单元应力【15 1 。 在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但 是，其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，很难求解。因此，寻求近似解决法 就成了必由之路。有限元法就在经过多年的探索中形成了。有限元法把求解区域看作是 由许多小的在节点处互相连接的子域构成，其模型给出基本方程的大单元的近似解。由 于单元可以分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以，它能很好的适应复杂的几何形状、 复杂的材料特性和复杂的边界条件，再加上有成熟的大型软件系统支持，它已成为一种 非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。应用有限单元法分析的一般过程流程图如上 图1 4 1 1 所示，图中指出了分析过程的主要步骤及相互关系【1 5 】 19 1 。 1 4 2c a e 优化过程 优化设计是一种寻找结构最优设计方案的技术。其基本原理是在保证产品达到某些 性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过构建优化模型，运用各种优化方法，通过 多次的迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优化设计方案，因而采用优化设计方法 能大大提高设计效率和设计质量。例如，在满足结构强度和刚度要求的前提下，通过改 变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但使得结构在耗材上得到了节省，在运输安 装方面也降低了成本。 一个典型的c a e 优化过程通常需要经过以下的步骤来完成： ( 1 ) 描述方程问题获取材料的机械性质及几何条件、外力、边界条件； ( 2 ) 参数化建模利用c a e 软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据( 设计变 量) 定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能； ( 3 ) 求解对结构的参数化模型进行加载与求解； ( 4 ) 后处理把状态变量值( 约束条件) 和目标函数值( 优化目标) 提取出来供优 化处理器进行优化参数评价； ( 5 ) 优化参数评价优化处理器根据本次循环提供的优化参数( 设计变量、状态变量 及目标函数) 与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了 最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环，否则根据已 完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环并获取优化设计变 量值和目标函数值 14 1 2 7 1 。 1 5 本课题的研究内容 本课题来自于江苏省科技攻关项目( b e 2 0 0 7 0 4 7 ) 新型框架式数控多点压边单动拉 深液压机研制。课题的研究对象是y q k 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机。随着国家对扩大 5 1 绪论硕士论文 内需政策的支持力度加大，国内的汽车、家电、船舶、航空等行业已出现持续增长的态 势，而课题所研究的液压机在这些领域都有着广泛的使用。课题首先用s o l i d w o r k s 对液 压机进行三维建模，建立包括液压机所有部件的整机模型，然后对液压机整机模型进行 简化，得到合理的主机框架模型。最后通过s o l i d w o r k s 与a n s y s 的数据接口，将模型导 入a n s y s 环境中进行有限元分析，并提出改进意见，指导机身结构改进，达到提高液压 机结构性能，并降低成本的目的。对液压机机身和滑块进行模态分析，了解液压机结构 的动态特性。本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 对y q k 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机上横梁、滑块、立柱、移动工作台、工作台、 液压缸等部件进行三维实体建模，将这些部件装配成整机模型。并在简化处理后，得到 合理的机身模型： ( 2 ) 建立机身的有限元模型，并根据实际情况确定液压机的典型工况。对各工况进 行有限元结构静力分析，求出各个部件在各种工况下的应力和应变分布规律； ( 3 ) 对结果进行分析，并提出改进意见。在此基础上对液压机机身进行改进工作， 并对改进模型进行验证； ( 4 ) 对y q k 1 2 5 0 框架式单动拉深液压机主机框架模型及滑块模型进行模态分析，求 解机身及滑块的固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其两者对液压机工作状况的 影响，对液压机的各项动态性能指标进行评估； ( 5 ) 基于有限元分析结果，以滑块质量为目标函数，确定关键的尺寸变量，对滑块 进行结构优化，获得结构的最优设计参数，为改进结构提供依据。 6 硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 2 机身结构模型与有限元模型 2 1 液压机结构 液压机的本体结构是多种多样的，从机架形式看，有立式和卧式；从机架组成方式 看，有梁柱组合式、单柱式、框架式、钢丝缠绕预应力牌坊式、圆筒式及钢筋混泥土整 体浇铸式等。其中框架式又分为整体框架式、拉杆预应力组合框架式和楔块预应力组合 框架式吲。 液压机本体结构设计时应考虑以下三个基本原则： a 尽可能好地满足工艺要求、便于操作； b 具有合理的强度和刚度，使用可靠，不易损坏； c 具有很好的经济性，重量轻，制造维修方便。 图2 1 1 液压机结构示意图 在我国，生产的框架式液压机多为拉杆预紧式，所以目前对此类液压机的研究分析 较多。而本课题所研究的液压机是y q k 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机。液压机采用楔块 预紧的方式，相比与拉杆预紧的液压机，楔块方式预紧的液压机有着装机方便、受力更 为合理的优点。机身是框架式液压机的主要部件，是使用金属材料最多、结构最复杂的 7 2 机身结构模型与有限元模型建立 硕士论文 部件，工作时承受全部的工作变形力。楔块预紧液压机本体主要由左右立柱、上横梁、 滑块、工作台、移动工作台、液压缸、导向装置及其他辅助装置等组成。图2 1 1 为 y q k 1 2 5 0 液压机的结构示意图( 1 立柱、2 上横梁、3 侧缸、4 主缸、5 滑块、6 移动工 作台、7 i 作台) 。液压机工作时由上部三个工作缸出工作压力，通过液压缸将压力与 运动传递给滑块，与此同时固定于工作台的压边缸出压边力，在上下共同作用下上下模 合拢，实现变压边力的单动拉深。 2 2 a n s y s 软件 2 2 1 软件分析流程 a n s y s 是一个功能强大而灵活的大型通用有限元软件。它融结构、热、流体、电磁、 声学于一体，广泛应用于机械工程、土木工程、汽车、能源、电子等工业及科学研究 2 0 】。 图2 2 1 1a n s y s 分析流程图 如图2 2 1 1 所示，a n s y s 分析过程中包含三个主要的步骤： ( 1 ) 前处理创建有限元模型，其中包括创建或读入几何模型、定义材料属性和 划分网格： 8 硕士论文 新型液压机结构分析与优化设计 ( 2 ) 求解施加载荷及载荷选项、设定约束条件并求解； ( 3 ) 后处理察看分析结果及检验结果。 结构分析是a n s y s 功能之一，其中包括：静力分析( 用于分析结构的静态行为，可 以考虑结构的线性及非线性特性) ；模态分析( 计算线性结构的自振频率及振型) ；谱 分析( 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变) ：协响应分 析( 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应) ：瞬态动力学分析( 确定结 构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性特性) ；特 征屈曲分析( 用于计算线性屈曲荷载，并确定屈曲模态形状) ；专项分析( 断裂分析， 复合材料分析，疲劳分析) 等。 a n s y s 提供了支持几何模型传递标准( i g e s ) 格式以及各种c a d 软件的专用接口。 所以可以通过熟悉的c a d 软件进行建模，女i p r o e 、u g 、i - d e a s 、s o l i d w o r k s 等现代化 产品设计中的高级c a d 工具。利用a n s y s 的数据接口，可精确的将在c a d 系统下生成 的几何数据传入a n s y s ，而后准确的在该模型上划分网络并求解，这样用户能方便的分 析新产品和部件，而不必因为在分析系统中重新建模而费时耗力【1 6 】【2 1 1 。 2 2 2 软件特点 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 数据统一a n s y s 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； ( 2 ) 强大的建模能力a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y s 的g u i ( 图形用户界 面) 就可建立各种复杂的几何模型； ( 3 ) 强大的求解功能a n s y s 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选择合适的 求解器； ( 4 ) 强大的非线性功能a n s y s 可以进行几何、材料及状态非线性分析； ( 5 ) 智能网格划分a n s y s 可根据模型的特点自动生成有限元网格； ( 6 ) 良好的优化功能利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案； 利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利 用； ( 7 ) 可实现多场耦合功能a n s y s 可以研究各物理场间的相互影响； ( 8 ) 提供与其他程序接口a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析软件的接 口程序，可实现数据共享和交换； ( 9 ) 良好的用户开发环境a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l 、u i d l 和 u p f s 对其进行二次开发 2 l 】。 9 2 机身结构模型与有限元模型建立硕士论文 2 3 机身结构模型 2 3 1 建模方法选择 有限元分析的建模主要有三种方法 2 0 】： ( 1 ) 利用有限元软件的实体造型功能，首先创建部件的实体模型，然后在实体模型 的基础上，进行网格划分，从而完成有限元模型的建立； 。 ( 2 ) 在有限元软件中直接生成有限元网格的方法； ( 3 ) 利用三维实体造型软件建立实体模型，然后通过统一通用的数据接口将模型导 入到有限元分析软件中，最后进行网格划分，完成有限元模型的建立。 其中，直接生成有限元模型的方法，对于简单的实体比较容易实现，但是对于结构 复杂的液压机部件而言，比较麻烦，而且费时。 考虑到液压机模型的复杂性，本文选择第三种建模方法，首先采用三维造型软件 s o l i d w o r k s 进行部件的实体建模，然后通过统一通用的数据接口将模型导入到a n s y s 软 件中进行有限元分析。 2 3 2 模型的基本假定 液压机的结构和工作情况非常复杂，其力学特性取决于很多方面的因素。为保证真 实的模拟液压机受力情况，同时使有限元模型得到尽量的简化。确定建模时对真实模型 进行如下一系列的假定和简化处理： ( 1 ) 液压机采用钢板焊接结构，在结构上可以根据受力情况合理设计和选用不同厚 度的钢板，有利于进行有限元优化，减轻重量，节约成本。分析中认为焊接质量是可靠 的，并且不考虑焊缝对传力效果的影响，把整个机架作为连续体来处理； ( 2 ) 为了简化分析计算，在不影响强度、刚度的前提下，对机身各个部件的局部细 微结构作了简化处理； ( 3 ) 假设机架为一定常线性系统，忽略阻尼的影响。机架材料认为是各向同性材料， 密度分布均匀，并且为完全弹性体； ( 4 ) 液压机的主要受力结构为机身，所以在简化的基础上舍去液压缸等辅助装置， 主要分析立柱及上下横梁的结构性能。 2 3 3 模型建立 液压机模型的建立需要各部件的尺寸参数，而液压机的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及特 点，也基本上定下了液压机的轮廓尺寸及本体总重。其中，最主要的是代表液压机规格 的主参数。本课题所研究y q k - 1 2 5 0 液压机的主要技术参数如下： 1 0 硕士论文新型液压机结目分析与优化设” 公称力： 1 2 5 0 0 k n 最大开口：1 8 0 0 m m 滑块行程：1 3 0 0 r a m 滑块快下速度：4 0 0 m m s 滑块慢下速度：1 8 0 - 2 0 0 n u r d s 液压垫力：5 x 8 0 0 k n 台面尺寸：2 2 0 0 4 5 0 0 m m 液体最大工作压力：2 5 m p a 液压机机身所有主要部件均为钢板焊接结构，如图2331 图2333 ，它们各自具体 的形状复杂，或带有油道孔，或带有工艺圆角，或带有阶梯固定槽。在考虑到既模拟结 构的真实情况，又尽量降低有限元计算的复杂程度，保留那些起到主导作用的结构因素， 而忽略简化对整体特性影响较小的局部结构。并将这些部件进行组装，采用s o l i d w o r k s 建立的机身模型如图2334 。 图233 1 液压机上横梁 图2332 液压机工作台 2 机身结构模型与有限元模型建立硕士论文 n 2333 液压机立柱 图2334 机身模型 2 4 机身有限元模型 2 4 1 单元、材料选择 在已往的液压机机身分析中认为，机身主要由板、壳单元组成，在受力上基本是承 受拉压和弯曲两种状态，因此选用有限单元中的粱、壳单元来描述机身的结构。又由于 机身的各个部件的筋板厚度不等，因此在选择同一个板单元时，也必须设置不同的实常 数来定义单元的截面尺寸、转动惯量等。同时，由于板单元和梁单元的节点自由度数不 同，因此必须考虑不同类型单元之间连接时位移的连续性问题，这就需要人工调整，然 而在人工干预太大的情况下，会引起单元畸变，所以梁、壳单元会带来一定的计算误差。 由平时的计算分析所知，用三维实体单元来描述机身结构，更能真实的反映机身的 实际情况。在a n s y s 软件里，三维实体单元有六面体单元和四面体单元两种。由于六面 体单元在划分时要求结构规则，不能进行自动划分网格。考虑到机身模型的复杂性，平 衡计算精度和计算时间的要求，在建立机身的有限元模型时，选用了实体单元s 0 1 i d 4 5 来模拟机身单元。 s o i i d 4 5 单元用于构造三维实体结构，单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着 x y z 方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力。 该单元可定义8 个结点和正交各向异性材料。虽然相对于那个对于具有二十节点的高阶 单元s o l i d 9 5 其计算精度较低，但对于一些复杂结构系统的有限元建模，由于其划分节点 较少，所以分析计算效率较高。 顿士论文 女型堆机结构分析优化设计 液压机部件的主要材料是q 2 3 5 ，在其工作时发生的变形为弹性变形，并忽略了焊缝 处材料特性的不同，其材料特性如下： q 2 3 5 ：密度为78 6 e 3g g m 3 ，弹性模量为2 0 6 g p a ，屈服极限为2 3 5 m p a ，强度极限 为4 2 5 m p a ，泊松比为02 9 。 2 4 2 网格划分 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，工作量较大， 所划分的网格形式由于划分者的水平和思路的不同而千差万别，因而对计算精度和计算 规模将产生直接影响。 图2 a21 液压机有限元模型 网格的划分应遵循“均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划”的原则。具体到液 压机机身上，横梁与立柱的接触面处、打入楔块处以及地脚螺栓等划分较细，其余绝大 部分以及内侧筋板部位划分较粗。 2 4 3 接触单元 在框架式液压机组合机身中存在着若干个接合面，在建模中，将接触表面的间隙处 理为虚拟的接触单元，这样两物体之间的接触系统就可以看作一个整体。同时，这种虚 拟的接触单元也能较为准确的反映大面积接触的特点。 通常情况下，大多数接触问题可以分为：点点接触、点面接触、面面接触。a n s y s 中提供不同的接触单元来模拟不同的接触方式。在接触问题建模时，首先必须认识到模 型中的哪些部分可能会相互接触。对于本课题中组合机身的接触问题，由于其模型的复 杂性，难以保证其接触面间的节点一一对应，故采用面面接触来处理。在这晕选用4 节 l3 2 机身结构模型与有限元模型建立硕士论文 点和1 2 自由度的t a r ( e t l 7 0 和c o n t a c t l 7 3 接触单元用于模拟其接触行为。 c o n t a c t l 7 3 用来表示三维目标面与本单元的可变行面( 柔性面) 之间的接触和滑 移。此单元可用于三维结构、热一结构耦合接触分析。此单元一般覆盖于三维实体或者 壳单元的表面，没有边界中点，它于其联系的三维实体或者壳单元的表面具有相同的形 状。当表面渗透到指定目标面上时，接触就发生。库仑应力和剪应力是允许的【1 6 】。 2 4 4 边界约束 机身有限元分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。由于液压机的 典型最大受力状态不止一个，所以载荷的施加在这里不作讨论，将在第三章中作具体介 绍，这里只讨论边界约束问题。 y q k 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机是通过地脚螺栓和地基相连接的，同时，安装用 户还要设置防扭设施，故在液压机机身模型边界约束加载时将地脚螺栓处使用6 自由度 全部位移约束，同时将立柱的z 向加以约束，这样既符合实际工作情况，也满足约束原 则。 t 4 硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 3 机身静力分析与优化 3 1 典型工况 液压机典型工况的确定，应该从y q k - 1 2 5 0 框架式楔块预紧液压机组装开始到液压 机使用寿命结束。本课题研究的液压机是楔块预紧结构，所以楔块结构是分析时必须的 考虑的。当液压机机身装配完成以后，需要在液压机开口处上下加载1 1 倍的公称力，使 得液压机立柱处于拉伸状态。然后在横梁和立柱之间打入8 个楔块，撤销1 1 倍公称力， 使液压机恢复形状，但楔块处于压紧状态，达到了机身整体的预紧作用。液压机安装完 成以后就可开始使用，在使用过程中，液压机最大的工作压力是不允许超过液压机公称 力，也就是公称力1 2 5 0 0 k n 作为液压机静态有限元分析的加载力。 从以上的分析中可以看到，液压机所要分析的状态有三个，也就是先加载1 1 倍公称 力的拉伸力，然后加入楔块并撤消拉伸力，最后满载情况下工作。具体如下： 工况一：液压机加载1 1 倍公称力，图3 1 1 为示意图。从示意图上可以看到，液压机 上横梁的受力位置是，上横梁与工作缸接触的三个环形面，这是因为1 1 倍的拉伸力直接 加载于滑块，滑块则通过液压缸把力传给了上横梁，而在分析机身受力时，液压缸不作 为分析部件且已经省去，使得机身最后受力面为此处三个环形接触面。而工作台的受力 位置是工作台的环形面和内部的顶杆，这是因为1 1 倍的拉伸力直接作用于移动工作台， 移动工作台又与工作台直接相连，它们的连接面就是工作台的环形面和内部的顶杆，所 以所受的力便直接作用于这几个连接面。 图3 1 11 1 倍公称力的加载示意图 工况二：液压机预紧力加载图，图3 1 2 为示意图。从示意图上可以看到，液压机受 力位置为八处楔块打入处。在撤掉1 1 倍公称力后，液压机机身会有恢复原状的趋势，这 样在这八个位置会出现横梁、楔块与立柱的相互挤压的作用，这样起到了给机身预紧的 1 5 3 机身静力分析与优化 硕士论文 效果，所以预紧状态下的液压机受力面为这八处。这个状态也是液压机平时不工作时的 状态。 图3 1 2 预紧力加载示意图 工况三：液压机满载工作时，图3 1 3 为示意图。从示意图上可以看到，液压机的受 力位置一共有三处。首先是楔块与机身接触的八处，这是因为在满载下，楔块与机身还 有一定的挤压作用，称作残余预紧力。第二处是上横梁受力，其位置仍是上横梁与工作 缸接触的三个环形面，因为公称力还是由滑块通过液压缸传递给上横梁。而工作台的受 力位置则在工作台的环形面和内部的顶杆外，还多加了工作台与压边缸的环形接触面， 这是因为工作台除了受移动工作台所传递的力外，还受到了压边缸所传递的力，在液压 机正常工作时，使用者会根据需要对压边缸设置一定的压力，到达他们所需要的压边效 果。 3 2 机身静力分析 图3 1 3 满载工作示意图 3 2 11 1 倍公称力作用下有限元模型 由以上分析可以知道，液压机机身在工况一下主要受1 1 倍公称力，有限元模型具体 1 6 硕士论文新型液压机结构分析与优化设计 的载荷加载数据如下： 上横梁与工作缸接触的三个环形面：主缸的环形面外径9 0 0 r a m ，内径7 3 5 m m ，侧缸 外径6 5 0 m m ，内径5 2 5 m m 。 则主缸环形面积为s ：导( d 2 一) ：羔娑( o 9 20 , 7 3 5 ：) ：02 1 2 m 2 侧缸环形面积为s ：三( d 2 一d2 ) ：兰二丝x ( o6 5 ：一0 5 2 5 ：) ；0 1 1 5 m 2 44 面载荷压力为，= i f = 篇罢蒜妾= 3 1 1 0 8 6 一 工作台的环形矩形外周长4 5 0 0 m m x 2 2 0 0 m m ，内周长3 5 0 0 r m n x l 6 0 0 m m ，工作台顶 杆直径2 0 0 m m 。 则工作台环形矩形面积为s = 日x 五一a ，h = 45 x 2 2 3 5 x l6 = 4 3 m 2 顶杆面积为j ；! d 2 ：业。02 2 ：0 , 0 3 1 4 44 面载荷压力为p f! ! ! ! ! ! ! ：! 型- 3 0 2 1 2 m p a s43 + 00 3 1 4 8 工况一下，液压机机身有限元模型如图32