（机械制造及其自动化专业论文）铜包装线出料机力学性能研究及优化.pdf

硕十学伊论文 ! 舅皇曼u i 一一i i i 曼皇 摘要 阴极铜板自动包装生产线项目是我校针对目前阴极铜板包装作业技术及装备 落后的现状，综合应用机械、电子、液压、精密计量、计算机控制等不同学科理 论研制完成的全自动包装生产线。出料机是该生产线的出料装置，是生产线组成 的关键设备。现场使用过程中出料机步进梁存在刚度低、变形大、动态特性不稳 定等现象。因此，本课题旨在通过对出料机承载条件下的静、动态力学性能研究， 发现其薄弱环节，并进行优化改进。本文主要进行了以下工作： ( 1 ) 根据出料机的结构及工作原理，将出料机等效为含有源组的平面连杆机 构。建立了出料机的机构运动简图、等效力学模型并进行了数学分析；利用三维 c a d 软件p r o e ，建立了出料机的三维实体模型； ( 2 ) 将在p r o e 中建立的三维实体模型导入有限元分析软件a n s y s 中，忽 略系统的非刚性连接，对出料机进行有限元静力学分析，得到不同工况、不同摆 角多j 时的各方向位移和应力值。通过比较，在工况二摆角西j 为9 0 。时步进梁等 效位移、等效应力最大，提取了该条件下的等效位移、等效应力云图； ( 3 ) 利用p r o e 软件对建立的三维实体模型进行运动学分析，得到工作过程 中垂直方向最大加速度为0 3 2 5 m m s 2 、水平方向的最大加速度为0 1 4 m m s 2 。垂直 方向的惯性力相对于铜板本身的重力可忽略不计，水平方向的惯性力对步进梁的 变形很小。故对出料机进行力学分析时惯性力可不予考虑； ( 4 ) 对出料机的有限元模型进行动态分析。通过模态分析得到出料机的前1 0 阶固有频率、主振型图，通过谐响应分析得到了x 、y 、z 方向的谐响应曲线图。 出料机的工作频率远小于第一阶固有频率，振动的幅值很小，满足工作要求； ( 5 ) 通过静力学分析和动态分析，得到出料机工作过程中步进梁为系统的薄 弱环节。在有限元分析软件a n s y s 中建立步进梁的参数化模型，以步进梁壁厚为 优化对象，以垂直方向的最大变形值为优化目标进行优化。优化后的步进梁最大 等效位移较优化前减小了5 8 9 9 m m ；最大等效应力较优化前减小了4 2 9 7 1m p a 。 优化后出料机的工作性能将得到较大提高。 通过本文的工作，对阴极铜板自动包装生产线出料机的工作性能进行了深入 研究，为后续同类设备的设计、开发提供一定的理论参考。 关键词：阴极铜包装线；有限元；静态分析；动态分析：优化 a b s t r a c t t h ec a h 。d e c 。p p e ra u t o m a t i cp a c k a g i n gl i n ep r o j e c t ，a i m i n ga t t h ec a t h o d e c o p p e rp a c k i n gt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o no f h y d r a u l i c ， a n de q u i p m e n tb a c k w a r d m e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i c ， s i t u a t i o n ，w i t hc o m p r e h e n s i v e c o m p u t e rc o n t r o l p r e c i s i o n m e a s u r e m e n t ，w a sd e v e l o p tb yo u r u n i v e r i s t y t h ef e e d e rl i n eo f d i s c h a r g i n gd e v i c e 。i s o n eo fk e ye q m p m e n t w h i c h c o m p o s et h ew h o l el i n e u n d e rf i e l du s e ，d i s a d v a n t a g e so f 1 ta p p e a r s ，s u c ha s ：l o ws t i f f n e s s ，t h ed e f o r m a t i o n o ft h eb e 锄a n dd y l l 锄i ci n s t a b i l i t v p h e n o m e n a t h e r e f o r e ，b ya n a l y s et h es t a t i ca n d d y n a m i cm e c h n i s m so ft h ed i s c h a r g 1 n gd e v l c eu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，i t sw e a k n e s s e s ，o p t i m i z e di m p r o v e m e n t i sf o u n d o u ta n do p t i m i z 玑i o ni st h e nc a r r i e d o u t t h ef o l l o w i n gi sd i s e u s s e di nt h i sp a p e r ： 弋1 ) a c c o r d i n gt ot h ef e e d e rs t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ef e e d e rg r o u pi s c i a s s l f i e dt ot h es o u r c e c o n t a i n i n gp l a n el i n k a g em e c h a n i s m t h e f e e d e rb o d v 鼍o v e m e n d l a g r a m ，a sw e l l a st h ee q u i v a l e n tm e c h a n i c a lr o o d e l i se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e d ；，at h r e e _ d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo ff e e d e ri s e s t a b l i s h e d ；w i t ha i do f3d ( 2 ) t h e3 - dm o d e le s t a b l i s h e di np r o ei s i m p o r t e di n t oa n s y s ，w i t ht h e r 1 9 1 dc o n n e c t l o no v e ri g n o r e d t h e n ，t h ed i s c h a r g ed e v i c es t a t i c sf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 1 sc a m e do u tf o rt h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s e su n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s c o 盯e s p o n d i n gt ot h ev a l u eo ft i l ta n g l e b yc o m p a r i s o n ，i ti s f o u n dt h a tw h e nt h et i l t a n g l e 九i s9 0 * u n d e rw o r ks t a t u st w o ，t h ed i s p l a c e m e n ta n d t h ee q u i v a l e n ts t r e s so f t h ew a l k n gb e a m ，s n o w st h em a x i m u m l e v e l ，s o ，t h ed i s p l a c e m e n t ，a n dt h ee q u i v a l e n t s t r e s sc o n t o u r si sg i v e n ( 3 ) u s i n gp r o e ，b a s e do nt h e3 - dm o d e l ，k i n e m a t i c sa n a l y s i si sc a 玎主e d o u t w h l c hs h o w s , i nt h ev e r t i c a l d i r e c t i o n ，t h em a x i m u ma c c e l e r a t i o ni s 0 3 2 5m m s 2 w n l l emt h eh o 血o n t a ld i r e c t i o n ，0 14m m s 2 c o m p a r e d t ot h eg r a v i t y ，t h ev e r t i c a l 1 n e r t l af o r c ei s n e g l i g i b l e ，h o r i z o n t a li n e r t i af o r c eo n l ya f f e c t st h e w a l k i n g b e a m s 1 1 9 h t l y s o ，a l li n e r t i af o r c e sa r e i g n o r e di nd y n a m i ca n a l y s i s ( 4 ) d y n a m i ca n a l y s i so ft h ed i s c h a r g ed e v i c ei s d o n e ，t h o r o u g hw h i c h ，t h et o p iuo r d e rn a t u r a l 行e q u e n c ya n d v i b r a t i o nm o d e la r eb o t h o b t a i n e d ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fn a m o n l c r e s p o n s e ，h a r m o n i cr e s p o n s ec u r v e so f x ，yzd i r e c t i o na r ea 1 1r e c e i v e d f h ew o r k i n gf r e q u e n c yo ft h em a c h i n ei sf a rl e s s t h a nt h a to ft h ef i r s to r d e rn a t u r a l t r e q u e n c ya n dv i b r a t i o na m p l i t u d ei ss m a l l ，s ot h ed e s i g hm e e t st h e j o br e q u i r e m e n t s ， 硕十。 伊论文 ( 5 ) t h r o u g hs t a t i ca n a l y s e sa n dd y n a m i ca n a l y s e s ，i t sf o u n do u tt h a tt h e s t e p p i n gb e a ms y s t e mi st h ew e a kp a r to ft h ed i s c h a r g ed e v i c eu n d e rw o r k i n g t h e p a r a m e t r i cm o d e lo ft h ew a l k i n gb e a mi sb u i l ti nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，w i t ht h ew a l lt h i c k n e s sa st h eo p t i m a t i o no b j e c t ，a i m e dt oc o n t r o lt h ev e r t i c a l d i s a p l a c e m e n tw i t h i nt h em a x i m u mv a l u ea l l o w e d i no ft oa f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ， t h em a x i m u me q u i v a l e n td i s p l a c e m e n to fb e a mi sr e d u c e d5 8 9 9m m ，a n dt h em a x i m a me f f e c t i v e n e s s ，4 2 9 71m p a a f t e rt h eo p t i m i z a t i o n ，t h ew o r k i n g p e r f o r m a n c ew i l lb e i m p r o v e d t h el o o k i n gi n t ot h ew o r kp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s c h a r g ed e v i c eo ft h e t h ec a t h o d ec o p p e rp l a t ea u t o m a t i cp a c k a g i n gl i n e ，a st h em a i nt a s ko ft h i st h e s i s ， p r o v id e ss o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs u b s e q u e n t s i m i l a re q u i p m e n t k e y w o r d s ：c o p p e rc a t h o d eb o a r dp a c k a g i n gl i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；s t a t i ca n a l y s i s ； d y n a m i ca n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n i i i 铜包装线 芈：i 机力学性能研究与优化 插图索引 图2 1 模型建立及求解的一般过程图8 图2 2 出料机满负荷工作图9 图2 3 出料机满负荷工作结构图9 图2 4 出料机机构运动简图1 0 图2 5 出料机液压传动装置等效力学模型图1 1 图2 6 出料机步进梁等效力学模型图l l 图2 7 步进梁尺寸图1 4 图2 8 步进梁三维实体模型图1 5 图2 9 工况二出料机三维实体模型图1 5 图3 1 出料机静力学分析步骤图一1 7 图3 2 导入a n s y s 后的三维实体模型图1 8 图3 3 出料机网格划分图1 9 图3 。4 四种不同工况下出料机加载图；一2 1 图3 5 四种不同工况下出料机等效位移图；2 3 图3 6 四种不同工况下出料机等效应力图；2 5 图4 1 机构设计运动工作流程图2 6 图4 2 添加约束后的机构图2 7 图4 3 伺服电机加载曲线图2 8 图4 4 创建测量尺寸图2 9 图4 5 摇杆角位移曲线图2 9 图4 6 步进梁测量点水平位移曲线图3 0 图4 7 ( 转化后) 伺服电机加载曲线图3 0 图4 8 加速度创建测量图3 1 图4 9 加速度曲线图3 2 图5 1 有限元模态分析步骤图；3 5 图5 2 出料机第一阶振型图3 6 图5 3 出料机第二阶振型图3 6 图5 4 出料机第三阶振型图3 6 图5 5 出料机第四阶振型图3 7 图5 6 出料机第五阶振型图3 7 图5 7 出料机第六阶振型图3 7 硕十学何论文 图5 8 出料机第七阶振型图3 8 图5 9 出料机第八阶振型图3 8 图5 1 0 出料机第九阶振型图3 8 图5 11 出料机第十阶振型图3 9 图5 1 2 有限元谐响应分析步骤图；4 2 图5 1 3 极限位置x 方向谐响应曲线4 2 图5 1 4 极限位置y 方向谐响应曲线4 3 图5 1 5 极限位置z 方向谐响应曲线4 3 图6 1 优化数据流向图4 6 图6 2 目标函数的迭代变化曲线一5 3 图6 3 状态变量的迭代变化曲线5 3 图6 4 设计变量的迭代变化曲线一5 3 图6 5 优化后步进梁等效位移图5 4 图6 6 优化后步进梁等效应力图5 4 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：之0 意、走 日期：pf 。年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 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和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：曼0 意、史 导师签名：壹耋舷 日期：弘户年罗月叫日 日期：2 0 l o 年，月妨e l i i 硕卜学伊论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 课题来源 金川阴极铜板自动包装生产项目是我校与金川公司联合，针对目前阴极铜板 包装作业的技术及装备落后现状，综合应用机械、电子、液压、计算机控制等不 同学科的基础理论和专业技术，研制完成的直线式铜板全自动包装生产线。 目前该生产线已经成功运行，但在使用过程中发现生产线出料机存在步进梁 刚度低、变形大、动态特性不稳定等现象。因此，本课题旨在通过对该出料机启 动阶段四种不同工况条件下的静、动态力学性能研究发现其薄弱环节，从而进行 优化改进。 阴极铜板自动包装生产线出料机主要由传动机构、步进梁、摇杆、连杆、液 压缸l 和液压缸2 组成。主要作用是通过传动机构的运动实现包装完毕铜板的输 送卸料工作。根据机构学知识，可将出料机视为一包含有源组的平面连杆机构， 将液压缸等效理解为移动副，则其运动学、动力学分析的方法与一般的平面连杆 机构基本相同。 1 1 2 平面连杆机构分析的发展 1 8 世纪下半叶的第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在 原来机械力学的基础上发展成为一门独立的学科【m 】。早在1 3 世纪连杆机构就己 得到应用，最简单的连杆机构是四杆机构，也是出现最早的一种连杆机构。对连 杆机构的研究起始于1 8 世纪著名发明家瓦特，1 7 8 4 年他所发明的蒸汽机中曾应用 四杆机构连杆点的近似直线运动导引机构中的另一个杆运动1 7 】。 实际中，设计多连杆传动机构时遇到的一般是动力学逆问题。传统方法分析 时可按照如下几步进行：首先，把实际机械系统简化为机构运动简图；拟出其等 效的力学模型；以力学模型为依据列出运动微分方程；对运动微分方程求解：最 后，针对所研究的问题进行具体分析，得出最终结果。为了简化研究问题，在拟 出机械系统动力学模型前，忽略系统中构件的弹性变形、忽略运动副中的间隙、 忽略运动副中的摩擦等，也就是将机械系统视为由刚性构件组成的理想系统，确 立其理想机构的动力学模型。然后再根据自由度数选择采用何种动力学分析方法 进行分析。这就是机构设计所遵循的一般原则【8 】。 对于机构的设计，长期以来人们一直沿袭采用传统的图解设计方法，由于图 铜包装线出料机力学性能研究与优化 解法所列方程是高度非线性的，想从中解出待定系数困难是很大的。从而制约了 设计精度和设计效率的提高，更重要的是：由于图解法难以把机构综合与优化设 计很好地结合起来，从而也制约了机构设计质量的提高。伴随着计算机技术的发 展，计算机辅助多连杆机械系统设计成为可能，而且由于它的优越性，它势必得 到更为广泛的应用。但是由于机构结构形式的多样化，所以目前还没有万能的分 析软件。 机械系统动态仿真技术是建立在多刚体系统动力学理论基础上的。随着近代 科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化。特别是近3 0 年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度( 以c a d 技术和f e a 技术为典范) 的高低，在很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本【9 】。c a d 技术是 计算机应用于工程设计中最早和最成功的典范。它的出现和广泛使用，从根本上 改变了传统的以经验为主的设计方法。它将设计人员从费时、重复、繁琐的手工 绘图方式中解放出来，不但提高了工程图纸的质量和绘制速度，而且能在设计完 成前由计算机预先显示产品最终的外形结构以供评价，更重要的是为设计人员将 更多的时间和精力用于创造性的工作提供了条件，并为社会带来了巨大的经济效 益。f e a 技术在工程设计过程中的应用，再次极大地改进了产品的设计手段。它 可以帮助设计人员分析机械系统零部件的结构强度、刚度，以及热特性和动态特 性，不但进一步推动了c a d 技术在各行业的应用而且解决了许多以前难以处理 的工程问题。 1 1 3 运动学、动力学分析的发展 力学中把研究作用于物体上的力与物体运动状态变化之间的关系叫做动力 学。机械系统动力学是研究机械系统在力的作用下的运动和机械在运动中产生的 力的科学。机械系统动力学的分析过程，按其任务不同，可分为两类。一类是动 力学反问题即已知机构的运动状态和工作原理，求解机器的实际运动规律。一类 是运动学正问题即给定机器的输入转矩和工作阻力，求解机器的实际运动规律。 对于动力学研究的复杂性，人们常常引入一些假定，使问题简化。随着生产 实践的发展，对动力学分析的准确度提出了新的要求，而科学技术的发展，为动 力学分析提供了新的理论和手段。因而，动力学研究发展的总趋向是：逐步将各 种人为的假定抛弃，逐渐的使分析更接近客观实际情况。在机械系统动力学发展 史上，先后提出四种不同水平的分析方法：静力学分析、动态力学分析、动力分 析和弹性动力分析【l0 1 。 1 静力分析 对低速运动及匀速运动的机械，运动中产生的惯性力可以忽略不计，对机械 运动过程中的各个位置可用静力学方法求出力平衡载荷而确定需在驱动构件上施 2 硕十学何论文 i_ii 加的输入力或力矩，以及各运动副中的反作用力。这是历史上最早出现的力分析 方法。对许多速度不太高的机械，现在仍用静力分析方法来计算原动机的功率， 进行构件和运动的承载能力计算； 2 动态静力分析 随着机械运动速度的提高，惯性力不能再被忽略。根据达朗贝尔原理，可将 惯性力计入静力平衡方程来求出为平衡静载荷和动载荷而需在驱动构件上施加的 输入力或力矩，以及各运动副中的反作用力。这种方法称为动态静力分析。由于 运动分析时是假定了驱动构件等速回转，这在本质上是一种理想化运动状态下的 力分析。现在对许多速度较高的机械，大多采用动态静力分析代替静力分析； 3 动力分析 尽管“驱动构件等速回转 的假定在多数情况下是允许的，但在实际运动中 常常需要知道系统的真实运动，进行“动力分析 的目的就是要求在外力作用下 机械的真实运动。在动力分析中，抛弃了对驱动构件运动规律的理想假定，因而 自然要把原动机包括在机械系统之内进行分析，所以动力分析的对象是整个机械 系统。静力分析和动态静力分析的数学模型均归结为一个代数方程的求解，而动 力分析则需要求解微分方程或代数一微分混和方程： 4 弹性动力分析 机械动力学可以划分为两大部分即机械刚体动力学和机械弹性动力学。在上 述三种分析方法中，构件均被假定为刚性的。随着机械向轻量化方向的发展，构 件的柔度不断增强，随着机械向高速化方向发展，惯性力急剧增大。在这种情况 下，构件的弹性变形可能给机械的运动输出带来误差。对于一些高精密度的机械， 就必须计入这种弹性变形对精度的影响。机械系统柔度的加大，使得系统的固有 频率下降；而机械运转速度的提高，使得激振频率上升。随着激振频率和固有频率 的靠近，可能会发生较强的共振现象，从而既破坏机械的运动精度，又影响构件 的疲劳强度，并引发噪声。在这种情况下，出现计入构件弹性的动力分析方法一 弹性动力分析。 弹性系统的研究最早出现在航空航天领域，国外从6 0 年代就开始了，7 0 年代 初结构分析的有限元法引入机构分析领域，这是机构弹性动力学研究的开始。近 2 0 年来，弹性连杆机构动力学研究取得了很大发展。除了采用有限元法之外结构 部件的模态综合技术亦被应用，并已经用于较为复杂的机构动态分析。国外的工 程技术人员在平面连杆机构的动态设计方面做了大量工作。在国内，近年沈阳交 通工程局的孙观福运用结构的柔性多体模式来研究起重机的驱动系统的柔性变形 结构的刚体运动学和动力学特性【1 1 1 ；太原理工大学的刘楷安以虚拟样机技术为依 托对采煤机截割部建立刚柔耦合模型后进行了动态分析：上海理工大学的于珊珊、 徐尚德等对单自由度和多自由度连杆机构的运动学、动力学分析的基本方法做了 铜包装线 料机力学性能珂f 究与优化 研究，并对将来的机构设计发展方向一虚拟样机技术做了探索【l2 1 。由静念设计向 动态设计发展是一个必然趋势，未来机构设计必以动态设计主。 关于运动学、动力学软件方面，国外的软件在人机交互，图像图形处理和可视 化方面比较好国内的机构运动分析方面的软件在机构运动分析及受力分析与通用 程序方面虽然己经达到了世界先进水平，但在结合产品进行机构系统运动学和动 力学分析、优化、计算机仿真、人机交互、图象处理以及可视化等方面，则与国 际先进水平有明显差距。目前，我国制造业使用的机构分析与仿真软件几乎完全 依赖迸e l ，付出了昂贵的代价，而国内自主版权的同类软件几乎没有【1 3 m 】。 1 1 4 有限元法的产生及发展 有限单元法( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，也称为f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 的出现和发 展有着深刻的工程背景，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。其发展应用最初开始于航空领域。2 0 世纪4 0 5 0 年代，美、英等国的飞机 制造业有了大幅发展，随着飞机结构的逐渐变化，准确了解飞机结构的静态和动 态特性越来越显得迫切，但是传统的设计分析方法已经不能满足设计的要求，工 程设计人员便开始寻找更加合适的分析方法，于是出现了有限元法的思想。但是 直至w j 2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫( c l o u g h ) 教授 形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”，即有限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况，直n 2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限元法在理论上 才基本成熟，并开始陆续出现商业化的有限元分析软件【r 7 1 8 】。 有限元法的基本思想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。同时 选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表 示单元中场函数的分布规律；其次给定边界条件、载荷和材料特性，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。有限元法可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力 分析，并能准确的计算复杂形状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【1 9 吨0 1 。 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂的求解 域。如果插值函数满足一定要求，随单元数目的增加，解的精度会不断提高而最 终收敛于问题的精确解，但是却增加了计算机解算所耗费的时间。在实际工程应 用中，只要所得的结果能够满足工程需要就足够了。因此，有限元分析方法的基 本策略就是在分析的精度和分析的时间上找到一个平衡点。 有限元法能适用于对工程实际中几何形状不规则、载荷和支撑情况复杂的结 构分析问题。相对于经典的弹性力学而言，具有更大的实际应用价值。有限元法 的最大特点是能够根据产品的材料及使用工况，在产品试制前进行结构应力、应 4 硕十。产何论文 曼曼曼nm m _ mn i 曼皇曼鼍曼曼曼皇曼寰 变和动态特性方而的分析，得到结构的应力分布规律，找出应力集中区域和最大 应力值，发现动态响应的缺陷，为结构的优化设计提供可靠的依据，缩短产品的 开发周期，节约成本，提高效率。 有限元分析是在结构分析领域应用和发展起来的，它不仅可以解决工程中结 构分析问题，同时还可以解决固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生 物力学等各个领域，能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性( 线 性和非线性) 、弹塑性或塑性问题( 包括静力和动力问题) ；能求解各类场分布问 题( 流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题) ；还能求解水流管路、电路、 润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题【2 1 2 2 1 。 有限元法的产生和发展，为解决复杂结构的分析计算提供了强大的技术手段， 并与传统理论相结合，形成了新的对系统静态、动态特性进行分析计算和预估的 组合结构系统分析法【2 3 1 。 1 1 5 相关仿真软件功能比较 当前国内外主流c a d 软件的主要功能及其对比如表1 1 所示【2 4 1 。 表1 1 各软件功能比较 功能u gp r o ei d e a sa d a m sa n s y s 具备各种建模具备各种建功能一般，不功能强大 具备各种建 建模功能功能，功能强模功能，功适用于复杂模的有限元 模功能 大能强大型的建造分析软件 内置a d a m sp r o e 内置 模块，通过a d a m s 模最强大的机构 具备基本功 机构分析p a r o s o l i d 文件块，能实现分析软件，可 能 格式与软件大部分机构分析力和运动 a d a m s 结合分析功能 含有有限元分可进行机构动 可作动力 动力学分析模块，支持含有有限元力学分析，计 功能较少学和热力 析弹性动力学和分析功能算力和加速度 学分析 热力学分析等变量 可模仿真实运 可作机构运动 可干涉检可作机构运 运动过程动进行动态干 仿真，仿真中 查，仿真中动仿真，与 仿真涉检查，仿真 能施加力，不 不能施加力u g 类似 中不能施加力能可干涉检查 5 铜包装线出料机力学性能研究与优化 1 2 主要研究内容及意义 1 2 1 研究内容 根据上述相关技术的研究及发展现状，本课题利用三维c a d 软件p r o e 与 有限元分析软件a n s y s 相结合，对阴极铜板包装生产线出料机进行静态、动态力 学分析，找出出料机工作过程中的薄弱环节，进行优化改进。本文的主要研究内 容如下： ( 1 ) 根据出料机的结构及工作原理，建立出料机的机构运动简图、等效力学 模型并进行数学分析； ( 2 ) 对现场测出的十组铜板的尺寸数据进行处理，将每垛铜板等效为理想的 长方体，利用p r o e 软件建立了出料机的三维实体模， ( 3 ) 将在p r o e 中建立的出料机三维实体模型导入有限元分析软件a n s y s 中，定义模型的单元属性、划分网格、施加载荷，建立有限元分析模型后对出料 机在四种不同工况、不同摆角咖j 下进行静力学分析； ( 4 ) 对装配检查合格的出料机实体模型定义运动组件和静止组件、运动副、 动力源、运动条件等，进行运动学分析，提取运动学仿真曲线并进行结果分析。 ( 5 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对除液压缸l 、液压缸2 以外的出料机系 统( 看作一个刚性的整体) 进行模态分析，确定其前十阶固有频率及振型；在模 态分析基础上，添加周期性外部激励载荷，进行谐响应分析，得到x 、y 、z 三个 方向的谐响应曲线； ( 6 ) 在有限元分析软件a n s y s 中，建立步进梁的参数化模型，以步进梁壁 厚为优化对象，以垂直方向的最大变形值为优化目标，对步进梁进行优化，改善 其刚度低、变形大的现象。 1 2 2 课题意义 目前。我国有铜加工企业1 3 0 0 多家，但生产技术和装备千差万别、设备不配 套或设备落后，多年来没有形成应有的生产能力2 5 1 。严重制约和影响了与国外先 进铜加工企业的竞争。所以说，淘汰落后工业和生产设备的任务相当紧迫。针对 上述情况，我校综合应用机械、电子、液压、计算机控制等不同学科的基础理论 和专业技术，研制而成本条直线式全自动包装生产线。这在一定程度上解决了原 来人工包装作业劳动强度大、工作环境恶劣、生产成本高、生产率低下等问题， 为实现其大规模工业化生产提供了条件。 该设备属国内首创，除用于阴极铜生产企业外，也可应用于类似阴极铜板的 其他板材的自动化包装，具有较为广阔的应用前景和市场前景。目前该生产线已 经成功运行，但在现场使用过程中生产线出料机仍存在步进梁刚度低、变形大、 6 硕十宁何论文 一 i l_i i i ；i i 一一i i l l ! 曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼鼍 动态特性不稳定等。因此，本课题的意义主要在于以下几点： ( 1 ) 对阴极铜板自动包装生产线出料机的工作性能进行了深入研究，为后续 同类设备的设计、开发提供一定的理论参考，这不仅具有重大的经济意义也具有 重大的社会意义和现实意义； ( 2 ) 本文很好的将机械设计中常用的大型软件结合到一起，对现实生产中的 设备进行力学分析及其优化，为机械设备的动态设计提供理论参考。 1 3 本章小结 本章首先介绍了课题的来源；平面连杆机构的发展，运动学、动力学发展， 有限元法及软件等相关国内外研究现状。根据课题研究的目的阐述了本文的主要 研究内容及意义。 7 铜包装线料机力学性能研究与优化 第2 章出料机模型的建立及数理分析 机械系统运动学、动力学分析的流程是把实际机械系统简化为机构运动简图、 拟出其等效的力学模型、以力学模型为依据列出运动微分方程、对运动微分方程 求解，最后针对所研究的问题进行具体分析，得出最终结果。随着计算机技术及 相关软件的不断发展，计算机仿真技术已经成为目前对系统进行运动学分析、静 力学分析、动态分析的重要手段。其过程主要是建立系统的三维实体模型，根据 运动学约束和初始位置条件等对几何构件模型进行装配，然后利用计算机技术来 完成仿真计算。图2 1 显示了机械系统模型建立及求解的一般过程。 图2 1 模型建立及求解的一般过程图 本章为了简化研究问题，忽略系统中构件的弹性变形、忽略运动副中的间隙、 忽略运动副中的摩擦，将机械系统视为由刚性构件组成的理想系统，确立机构的 动力学模型并进行数学分析。为满足后续对阴极铜板包装线出料机静、动态力学 性能的分析，建立了出料机的三维实体模型。 2 1 出料机工作原理分析 2 1 1 出料机结构 出料机主要由传动机构、步进梁、液压缸1 和液压缸2 组成，在阴极铜板包 装中主要起着将包装完毕的铜板由出料位置输送到卸料位置的作用，是生产线中 的关键设备。图2 2 为包装现场拍摄的出料机满负荷工作情况下的照片，图2 3 是 出料机满负荷工作的出料机结构图。 8 三一 一。i 一 一：一 一 辛lil_：中l 围22 出料机满负荷工作围 压五蒌霾理第 图23 出科机满负荷工作结构囤 2 1 2 工作流程 出科机的工作流程分为启动、满负载工作、停止三个阶段，根据现场的实际 工作负载情况可得，系统的启动工作可分为四种不同工况，比较有代表性，为此 在研究出料机时将以启动阶段为主，阴极铜扳包装生产线出料机的主要工作流程 如下： 1 工况一( 单垛铜板负载) 启动出料机开始工作，液压缸2 驱动步进粱水平运动到生产线待出料铜板位 置，步进梁在液压缸1 的驱动作用下带动出料位置( 第一垛) 铜板上升一定高度h ； 液压缸i 停止动作保持高度，与步进粱相连的液压缸2 水平运动距离s 将出料 位置( 第一垛) 铜板输送到精称位置：液压缸2 停止，液压缸1 动作，驱动步进 粱下降一定高度h ；液压缸l 停止动作，保持高度，通过液压缸2 将步进梁输送到 待出料铜板位置，为工况二输送做好准备； 2 工况二( 两垛铜板负载) 当第一垛铜板输送到精称位置后，重复工况一输送铜板的动作将第二垛铜板 铜包墟线出料机力学性能研究与优化 输送到精称位置，并为工况三输送做好的准备。应泼注意的是，此时步进梁将第 一垛铜板一起输送到喷码位置。 3 工况三( 三垛铜板负载) 输送第j 垛铜扳，重复工况一输送铜板动作，步进粱的负载变为三垛铜板。 此时第一垛铜板输送到贴标位置，第二垛铜板输送到喷码位置第三垛铜板输送 到精称位置。 4 工况四( 四垛铜板负载) 运输第四垛铜板，重复输送铜板的动作，步进梁的负载变为四垛铜板。此时 第一垛铜板输送到卸料位置，第二垛铜扳输送到贴标位置，第三垛铜板输送到喷 玛位置，第四垛铜板输送到精称位置。 5 满负载工作 出料机完成启动工作进入满负载情况工作状态，重复完成输送铜板动作， 进行铜板出料输送工作。 6 停止工作 出科机的停止工作与启动阶段工作过程完全相反，这里就不在赘述。 2 2 建立力学模型 22 1 机构运动简图 根据出料机的结构及工作原理由机构设计学知道，可将出料机看作一包含 有源组的平面连轩机构，将液压缸等效理解为移动副，则其运动学、动力学分析 的方法与一般的平面连杆机构基本相同【2 ”。 将液压缸1 与液压缸2 简化成移动副，根据步进梁的行程为s = 1 5 0 0 m m ，举 升高度为h = 8 0 m r n ，建立如图2 4 所示的出料机机构运动简图。 固24 出料机机构运动简图 2 22 传动机构等效力学模型 出料机由两个型号、性能相同的液压缸1 驱动摇杆，忽略实际工作过程中两 个液压缸i 的不同步性，进行数学分析时可以将出科机的运动情况简化成一包含 有源组的连杆机构。 根据出料机液压传动装置的工作原理，将液压缸l 简化成一移动副，摇杆、 液压缸1 和地面的夹角分别为曲n 庐j ，传动机构在d 、h 两点受到的作用力分别 为凡7 n7 ，举升行程为h ，建立如图25 所示液压传动装置等效力学模型图 ( 其中凡7 、 7 分别表示步进梁在d 、h 两点对传动机构的作用力，方向与r 、 大小相等，方向相反) f h f d 黢 ：。a 二盥皿一 图25 出料机液压传动装置等效力学模型图 2 23 步进梁等效力学模型 根据步进梁承载的实际情况，将铜板的的重力等价转化为均匀分布的面力 大小为只方向为垂直步进粱表面向下。步进粱在d 、h 两点受到的作用力分别为 r 、n ，在举升过程中建立出料机步进粱四种不同工况下的等效力学模型。图26 显示了出科机步进粱在摆角毋，为9 0 。时四种不同工况的等效力学模型图，其中 凡、f 分别表示传动机构在d 、h 两点对步进梁的作用力 图26 出料机步进粱等效力学模型图 铜包装线f l j 料机力学性能珂f 究与优化 曼曼! 皇曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼毫曼曼! 曼曼i 一 一 i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼 2 3 数学分析 2 3 1 液压传动机构运动学分析 传动机构举升过程的运动学方程【2 8 2 9 】： 将平面连杆机构中各构件看作刚体，根据图2 5 由封闭矢量多边形法建立机构 的运动学方程为 岛= l l + l 4 ( 2 1 ) 根据图2 5 可知道，摇杆与地面夹角为( 摆角) 咖j ，液压缸1 与地面夹角为 咖j ，则上式可用复