（机械工程专业论文）全张双色平版胶印机滚筒的有限元分析与改进.pdf

摘要 摘要 印刷机滚筒是印刷机的核心零件，它本身的刚性、动态特性对印刷质量的影 响是举足轻重的，全张双色胶印机印刷的实际情况表明目i j 仃的滚筒结构在刚度性 能上能满足要求，但是由于滚筒结构憨重，大大增加了电量的消耗和对轴套等重 要零件的磨损。同时重量过重也给运输带来了很大困难。更重要的是滚筒铸造用 料较多，成本高，同时也使得整机的耗电量大大增加，增加了用户成本。为提高 全张滚筒的综合指标，充分考虑到用户的利益，在不改变印刷机滚筒刚性和其他 综合性能的同时，对其结构进行重新设计，尽量减少滚筒的重量已经成为一个在 生产中面i 临的迫切课题。 现根据全张双色胶印机滚筒的实用参数和其它类似机型的滚筒参数，集合了 设计、工艺等多个师傅的设计思想，在尽量保证原来各项参数指标的前提下，最 终重新确定了滚筒的铸件毛坯。减重后的毛坯在重量上相对与原来有较大提高， 普遍能减少3 0 0 k g 左右。同时滚筒都用了p r o e 三维图形设计软件建立了各个滚 筒的立体模型。并根据实际的边界约束条件，对滚筒进行约束简化，利用有限元 模型分析了滚筒的多个重要参数。对修改前后滚筒的各项重要参数做了比较，并 仿真了静平衡实验，结果效果良好。 课题所作研究表明，采用f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 等现代设计方法 进行产品的性能分析研究，进行机械结构的改进设计，是可以解决普遍存在诸如 y p 2 b o 全张双色胶印机滚筒结构不经济，设计优化程度差等问题，这是提高国产 印刷机械产品性能质量、降低产品成本并提高产品市场竞争力的有效途径。 关键词胶印机；有限元分析；滚筒铸造；优化设计 a b s t r a c t t h ec y l i n d e ri st h em a i nd e p a r t m e n to ft h ep r i n t i n gm a c h i n e t h er i g i d i t ya n dt h e d y n a m i cc h a r a c t e r so ft h ep r e s si t s e l fh a v eg r e a ta f f e c t i o n so nt h eq u a l i t yo ft h e p r i n t i n g t h ei n s t a n c eo ft h ed o u b l e c o l o rp r i n t i n gp r e s so ft h ef u l lp a g ep r o v e st h a t t h es t r u c t u r eo f t h ep r i m a r yc y l i n d e rc a nm e e to u rd e m a n d ，b u to f i t st w oh i g hw e i g h t ， i th a sg r e a t l yw a s t e dt h ee l e c t r i c i t y , f r a y e dt h eb e a r i n ga n ds o m eo t h e ri m p o r t a n tp a r t ， a n da l s ob r o u g h td i f f i c u l t i e sf o rt r a n s p o r t a t i o n ，f u r t h e r m o r e ，m o r em a t e r i a lm a k e s g r e a tw a s t e o nt h ec o n d i t i o no fn o ta l t e r i n gt h er i g i d i t ya n do t h e rq u a l i t i e sa n d s u f f i c i e n t l yc o n s i d e r i n gt h eb e n e f i to ft h ec u s t o m e r , t or e d e s i g nt h es t r u c t u r ea n dt o r e d u c et h ew e i g h to f t h ec y l i n d e rh a v eb e c o m ea nu r g e n tt a s ki nt h ep r o d u c t i o n b a s e do nt h ea p p l i e dp a r a m e t e r so ft h ed o u b l e - c o l o rp r i n t i n gp r e s sa n dc y l i n d e r p a r a m e t e r so fs i m i l a rt y p e ，c o n g r e g a t i n gt h ee n g i n e e r so fd e s i g na n dt e c h n i q u e ，i nt h e p r e c o n d i t i o nt oe n s u r ea l lt h ep a r a m e t e r , w ee v e n t u a l l yd e c i d et h ep a r a m e t e r s e v e r y c y l i n d e rh a sb e e nr e d u c e da b o u t3 0 0 k g ，a tt h es a m et i m e ，w eh a v ef o u n d e dt h es o l i d m o d e lo ft h ec y l i n d e rb yt h eg r a p h i c sd e s i g ns o f t w a r ep r o e a n da c c o r d i n gt ot h e b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，p r e d i g e s tt h eo b l i g a t i o no f t h ec y l i n d e r , a n a l y s i sm a n yi m p o r t a n t c y l i n d e rp a r a m e t e r sb yf e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ，a n dd ot h es i m u l a t e d e x p e r i m e n t a t i o no ft h es t a t i c sb a l a n c e i tp r o v e sa l lr i g h tb yc o m p a r i n gt h ei m p o r t a n t d i a m e t e ro f t h ec y l i n d e rw i t ht h a tn o tm o d i f i e d t h e s ea l lp r o v et h a tt oa p p l yt h em o d e md e s i g nm e t h o df e af o rt h ep e r f o r m a n c e s t u d yo rt h ea d v a n c e dd e s i g no ft h em e c h a n i s mc a l ls o l v et h ep r o b l e m ( s u c ha st h e d i s e c o n o m yi nt h ec y l i n d e rs t r u c t u r e ，p o o ro p t i m i z a t i o ni nd e s i g na n ds oo n ) g e n e r a l l ye x i s t e di nt h et w o c o l o rp r i n t i n gp r e s sy p 2 8 0f o rf u l lp a g e ，t h i si st h e e f f i c i e n ta c c e s st oi n c r e a s et h eq u a l i t yo f t h en a t i o n a lp r e s s ，d e c r e a s et h ep r o d u c tc o s t ， i m p r o v et h er i v a l r o u s n e s si nt h ep r e s sm a r k e t k e yw o r d s o f f s e tp r e s s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c y l i n d e r f o u n d i n g ；o p t i m i z i n g d e s i g n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：圣密日期：签名：当梦日期： 关于论文使用授权的说明 曲三| o 本人完全了解北京工业大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 互杀， 导师签名：j 垒碰 同期：丝丛! ：1 9 第1 章绪论 第1 章绪论 e pj n 业属于加工业的范畴，以受托印制出版物、包装物和社会印件为主，是 为经济和文化发展服务的，是国民经济的重要产业。印刷工业不仅在国民经济发 展中具有重要作用，也与人们的日常生活息息相关。它是人们进行信息交流、 传播文化和科技知识的手段，是一个重要的宣传工具。它不但能创造十分可观的 经济效益，而且对国家的政治稳定及精神文明和物质文明建设起到了直接的推动 作用。正因如此，印刷工业在一些国家已经成为支柱产业。 1 1 国内外印刷业和e p a j j 机制造业的发展状况 世界上各个发达国家的印刷工业是很发达的。例如美国，按工业产值排位， 1 9 8 9 年印刷工业为六大工业之一，其产值约占国民经济总产值的1 3 ，占制造工 业的5 4 。日本印刷工业为八大工业之一，产值占国民经济总产值的1 3 6 ，约 占制造工业的4 。英国印刷工业为七大工业之一，产值占制造工业的5 4 。原 联邦德国印刷工业为五大工业之一，产值占制造工业的1 8 。在发达国家，印 刷工业产值约占整个国民经济总产值的1 3 左右。印刷业与国民经济的发展速 度之比在发展中国家为1 ：1 ，在一般发达国家为2 ：1 ，在美国、德国、日本等先进 发达国家为3 ：1 或4 ：1 ，可见e p 届, j 工业非常重要。印刷工业不仅本身创造了经济 效益和社会效益，而且为推动本国及各国的经济发展，促进商品的销售和对内对 外交流做出了重要贡献。 我国的印刷工业，特别是改革开放以来，有了快速发展，1 9 9 2 年印刷工业 产值为1 9 8 9 年的1 8 7 。现在，我国已经成为世界上的十大印刷国之一。根据联 合国公布的各国印刷工业总产值，1 9 8 7 年我国为第1 4 位，1 9 9 1 年为第7 位。1 9 9 1 年印刷工业产值占国民经济总产值的0 6 5 。但因为我国幅员辽阔，人口众多， 如果按照人均计算，相对来说还是很落后的。从人均印刷产值来看，我国印刷工 业总产值在世界的排名为1 4 3 位，排在许多发展中国家之后。我国年人均耗纸量 为l o k g ，而世界年人均耗纸量为4 5 k g ，发达国家年人均耗纸量为l o o k g 。我国 人均耗油墨量为美国的1 7 0 ，日本的1 6 9 ，意大利的1 1 8 ，韩国的1 1 2 。根据 不完全统计，全国现在约有印刷厂7 万多家，但是大部分都是乡办、村办以及个 体印刷厂。县级及县级以上的印刷厂约有1 1 0 0 0 余家，职工1 0 8 万人。1 9 9 2 年 北京工业大学工程硕士学位论文 印刷工业总产值为2 6 1 亿元人民币，固定资产约1 5 0 亿元人民币。 印刷过程是一个复杂的物理化学过程，印刷工业是世界上公认的高新技术应 用领域。随着印刷工业的发展，特别是近年来计算机技术在新闻出版印刷业的广 泛应用，胶印机产品由于它印刷质量好，印刷技术先进等诸多原因，成为印刷业 广泛使用的最受欢迎的产品。胶印机产品集机、光、电于一体，技术含量高，价 格昂贵，以六色胶印机为例，一台进口设备的价格约为一千万人民币左右。但由 于它市场大，经济效益可观，因此胶印机产品一直是印刷机厂家致力研究开发的 重点，国际胶印机市场的竞争日趋激烈。虽然世界上任何国家都离不开胶印机印 刷，但胶印机制造困难，世界上能生产胶印机产品的国家就为数不多，因而，国 际上胶印机的进出口量很大，现在世界上印刷机械的年销售额大约为2 0 0 亿美 元，进出口量很大，其中大部分份额被德国，e l 本，美国所占据。例如，原联邦 德国1 9 8 9 年印刷机械的销售收入为1 2 0 亿马克( 约6 0 亿美元) ，其中7 9 亿马 克出口，出口量占6 6 ，进口印刷机械1 2 亿马克，占其销售收入的1 0 。1 9 9 0 年日本印刷机械销售收入为5 0 0 0 亿日元( 约3 8 7 亿美元) ，其中1 5 2 3 亿日元 ( 约1 1 7 亿美元) 出口，出口约占3 0 ，进口印刷机械8 0 5 亿日元( 约6 2 亿 美元) 。美国1 9 9 0 年印刷机械销售额2 9 亿美元，其中出口l l 亿美元，出口量 占3 8 ，进口印刷机械1 2 亿美元，约占其销售额的4 1 。 1 2 我国胶印机市场现状与趋势 我国的印刷机械制造业起步较晚，随着改革开放和社会主义市场经济的发展 和人民物质文化生活水平的提高，对印刷品的要求越来越高，需求量越来越大。 因此对印刷机械的需求量也将有较快增长。在国家的大力支持下，刷机厂家加速 技术改造，通过内引外联，已经形成了以骨干企业为核心的企业集团，可提供不 同档次、多个品种的成套设备。我国的汉字激光照牌技术已经跨入世界先进行列。 我国的印刷机械厂家目前能提供数百种凸版、凹版、胶印等各类印刷、制版、装 订机械设备，涌现了诸如北人印刷机械股份有限公司，上海印刷包装机械总公司， 北大新技术公司，上海亚华印刷机械公司，潍坊激光照牌公司等在国内外较为知 名的企业”。 随着印刷工业的发展，中国的印刷机市场也逐步走向规范。同时，随着中国 加入w t o 世贸组织后，中国胶印机市场也面临着严峻的考验。就目前情况来说， 第1 章绪论 ! ! ! j ! ! 目日目自! | 目! e 自! 目目e e ! ! ! ! e | 自自t ! 目j e e e ! ! ! ! ! s e 自e e ! e ! ! ! ，g 篁i i i ! ! ! 中国印刷机市场有以下特点。 ( 1 ) 胶印仍占主导地在不同的印刷方式中，市场份额是胶印4 2 、柔性版 1 9 、凹印1 7 、凸印6 、数字印刷1 3 ，其它3 。可以看出传统的胶印仍占主 导地位。互联网，电子出版物的出现，不可能完全代替传统的印刷方式( 如包装、 装潢业) ，传统的印刷业仍将继续发展。 ( 2 ) 胶印机的市场绝对需求量在增加，市场在不断扩大，其中对开多色产品 是主导根据国外资料统计，世界市场全张、对开、四开产品所占份额约为7 ， 4 9 和2 7 。市场调查的结果，按销售额预测对开多色胶印机将成为今后5 年增 长的主流，四开多色机市场也将有较快的增长，而传统的单色机市场增长将逐步 趋于饱和。 ( 3 ) 产品向系列化、成套化方向发展大多数印刷机厂商，为了保持传统技 术和质量的稳定性，提高产品的经济性，产品的标准化、系列化、通用化十分突 出。今后对于印刷设备制造厂商而言，是否能够向用户提供全套系统的产品与服 务已显得日益重要，以海德堡为代表的印刷机制造商们，以数字化技术为基础， 不失时机先后涉足印前、印后等领域，纷纷提出面向用户的印前一印刷一印后的 解决方案，为用户提供高效的、操作过程更简单成套设备。 ( 4 ) 包装市场潜力大我国印刷行业9 0 9 9 平均增长1 6 ，包装印刷十年平 均增长2 0 5 。随着经济的发展，对印刷品的需求会越来越多，印刷市场的绝对 量在增长。 入世给印机企业带来的机遇和挑战是努力开拓国内外两个市场，加强出口工 作不仅是企业发展战略，也是经济效益重要的增长点。改革开放给印机行业的发 展带来无限生机。这些年，由于产品对市场适应性增强，印机行业已经具备了满 足国际市场多元化、全方位的需求能力，而且产品在国际上也具有较强的市场竞 争力。2 0 0 2 年行业产品出口区域在扩大，由发展中国家和地区向发达国家和地 区欧美、日、韩等国家进军：出口产品品种在增加，由切纸、模切等印后设备向 胶印柔印等技术含量较高的领域发展；出口企业的队伍不断壮大，除上人、北人、 营口、亚华、威海等企业外，又涌现出中景、华光、北富、南平、上海爱凯斯等 1 4 家新生力量。4 2 家行业骨干企业2 0 0 2 年出口交货值为2 1 9 5 亿元人民币，较 上年同期增长1 0 8 ；自营出口创汇额2 4 9 0 万美元，较2 0 0 1 年增长8 5 。在 行业销售l o 强企业排行榜中：北人集团、上海印包突破1 0 个亿，已开始了印机 北京t 业大学丁程硕十学位论文 行业向机械工业1 0 0 强企业进军的步伐。上海印包集团所属企业，销售收入达 1 3 个亿，其出口交货值和出口创汇额分别占全行业8 7 和9 2 。上海发展速度 快，一是合资企业多；二是产品水平起点高。陕印北人在柔凹产品领域有着巨大 的发展潜力，产品开发和出口不断创历史新高；国内八开机品种最全、进入国际 市场最早的营口冠华敢于把产品挺进欧美市场，与发达国家竞争市场份额；联强 集团创造了我国民营企业强劲发展态势；上海申威达瞄准国际名牌苦练内功，为 我国产品赢得声誉；咸阳印包依靠科技进步、开拓两个市场，使亏损企业走出困 境等等。 众多中小企业渴望走出国门，直接面对市尝寻找客户、参与国际竞争。从介 绍的经验看，凡是出口工作搞得比较好的企业，一个突出的特点是：用高技术含 量、高质量水平的精良设备加优质的售后服务，是进入国际市场的准入证和门槛， 这是无数企业用事实证明的市场规律。在行业1 5 0 家会员单位中，有8 5 的企业 不断有新产品推出，这是做好出口工作的支柱。此外，行业营销战略的组合和运 用也有新的突破。在巩固产品战略、价格战略、市场战略、促销战略的同时，做 法又向更深层次发展了。表现在以技术进步为导向的企业并购、购买技术项目、 并购科技企业等。如：体现企业战略性思考的产业并购一一北人集团以o e m 方式 兼并陕西黄工印机：上海沪港俩家联手收购日本秋山株式会社、与美国方氏兄弟 公司合作；北人在境外合资建厂等，在实现行业扩张实力上，走出具有自己特色 的捷径。近些年行业内部经过经济结构调整、重组、体制改革等，资本结构呈 多元化趋势( 国企、民营、合资、独资等) ，为行业发展注入活力。异军突起的 民营企业大军占有非常重要的比重，为印机行业的平稳发展奠定了基础，成为与 国企互补的力量。联强集团、中德集团以及温州地区大大小小的企业组合，他们 机制灵活、特色鲜明，联合作强作大的强劲发展势头，已经显现出我国印机制造 业崛起的趋势。 1 3 胶印机技术发展的现状与趋势1 在印刷机市场日趋成熟的同时，印刷技术的飞速发展也为e p $ 1 j 行业增色不 少。从目前的世界和国内的印刷技术现状和水平来看主要有以下特点 ( 1 ) 多功能、自动化、智能化进入九十年代以来，单张纸胶印机的设计制 造向前跨进了一大步，主要表现为：速度的大幅度提高，大多数产品达到了1 5 0 0 0 4 第l 章绪论 张4 , 时；计算机、电子、光学技术在胶印机上广泛的应用，大大地缩短了辅助 时间；自动化程度大大提高，大量采用了成熟技术。智能化人性化的设计让人耳 目一新。 ( 2 ) 结构模块化，系列组合化技术发展创新加快，使用户的选择多样化。 不同的用户对胶印机功能需求是不同的，能够根据市场需要，配置各种功能。各 种配置选择灵活多样，能较好地适应现在多变的市场。 ( 3 ) 印前、印刷、印后一体化随着计算机数字化技术的发展，图文数据的 传递向标准化、网络化方向发展，传统的产品应用数字化技术越来越广泛。 ( 4 ) 向环保型发展保护地球生态环境，产品向环保型发展，无公害、无污 染已成为当今印刷设备制造的课题。国际上知名的印刷机械制造公司如德国海得 堡、日本三菱、美国兄弟印刷机等己经在国际上处于领先水平。尽管如此，他们 仍然根据市场需求调整产品结构，加紧研制新产品，不断有操作简便、控制准确、 印刷效果良好的新的印刷机产品推出，同时也大大加紧了在环保型设计方面的研 究。 1 4 全张双色胶印机滚筒研究分析的立项背景 高速、多功能、自动化、数字化是当今国际上多色胶印机的主要特色，其中 速度是高档胶印机的最重要的指标，而胶印机高速印刷时的平稳性、经济性又是 印刷机制造和技术水平的综合体现。 随着国内经济的快速发展，人们对印刷的需求越来越高。特别是包装装潢行 业的迅速发展，使国内市场对有印厚纸板能力的印刷机的需求量急速增加。但国 内大多是对开系列机器，对于大的包装箱只能采用拼接的办法来满足生产效率 低，污染严重，工人劳动强度大。为适应困内市场上迫切需要，北人自行研制了 y p 2 b o 全张双色胶印机，这种机型是速度快，自动化程度高，纸张幅面规格比较 大( 同时兼印1 2 0 9 m 2 以上的常规纸) 的全张双色胶印机，它的设计生产成型填 补了国内印刷机产品这一规格的空白。 但y p 2 b o 全张双色胶印机也存在着一些不足。其中因滚筒重量较重，对装配、 调节、运输、维修等带来了很大麻烦。更重要的是滚筒铸造用料较多，成本高， 同时也使得整机的耗电量大大增加，增加了用户成本。为提高全张滚筒的综合指 标，充分考虑到用户的利益，在不改变印刷机滚筒刚性和其他综合性能的同时， 北京工业大学工程碗士学位论文 对其结构进行重新设计，尽量减少滚筒的重量已经成为一个在生产中面临的迫切 课题。 全张双色高速印刷机，可用胶版纸、铜版纸和卡板纸等一次完成双色印刷， 也可作单色、多色印刷。本机自动化程度较高、效率高。适用于大、中型印刷厂 印刷彩色画、包装盒( 箱) 等精美彩色印刷品。 技术规格 最大纸张尺寸m m 1 0 2 0 x 1 4 2 0 最大印刷幅面m 1 0 1 0 x 1 4 2 0 印版尺寸m i l l 11 3 0 x 1 4 4 0 x o 3 胶皮布尺寸m m 1 3 5 0 x 1 4 4 0 x 1 9 衬垫尺寸m i l l 1 2 0 0 x 1 4 3 3 x l 最高印刷速度张h 7 0 0 0 输纸堆最大高度f i l m 1 2 3 0 收纸堆最大高度m m 1 2 6 0 主电机功率 k w3 7 外形尺寸( 长宽高) m m 8 6 8 3 x 4 4 5 0 x 3 1 0 3 机器重量( 包括输纸机) k g 3 2 0 0 0 b e i r e n1 4 2 全张双色高速印刷机主要结构特点 套印准确，网点清晰 刚性好一双层底盘连接，牢固稳定可靠 递纸机构一真正共扼凸轮控制，无冲击，特别适合于高速印刷 先进合理的滚筒排列一纸张交接次数少 高点闭牙一无冲击凸轮结构 叼纸牙轴粗增强稳定性 叼纸牙结构先进一牙体轻，转动惯量小，抗冲击性能好，叼纸稳定。 无剥离墨杠结构优化合理的墨路排列： 印刷完毕后交接： 滑动轴承采用专用机床加工一确保高精度 适用纸张范围广，厚度1 2 0 9 m 2 5 5 0 9 m 2 ，幅面从6 5 0 x 9 2 0 m m 至1 0 2 0 x 1 4 2 0 m m 尤其适合于大幅面厚纸板印刷 第1 苹绪论 先进的纸张分离机构一中外合作设计的全新给纸机，确保各种规格的纸张顺 利输送 适于高速印刷的递纸机构共扼凸轮控制 采用国内最先进的成熟结构，集中北人多年印刷机制造经验一保证机器质量 的稳定性 操作空间大保证操作、维修的方便性专用厚纸板的链排结构 机动副收纸( 选项) 自动喷粉装置 变频驱动方式 p l c 控制方式 性能价格比优异一印刷速度高，可提高生产效率 1 5 课题的研究目标 自二十世纪六十年代中期以来，随着机器设计由静态和线性分析向动态和非 线性分析、由可行设计向最佳设计、由手工计算向自动化计算方面过渡，以适应 机器向高效、高速、高温、低耗、低成本等现代化要求发展的需要，满足机器产 品的性能、质量不断提高的要求，并力争设计一次成功，加快新产品设计、制造 速度，缩短研制周期，提高产品的竞争能力。国外的机器设计已开始进入自动化 设计阶段。 最近十几年来，国内也在解决应用电子计算机进行动力学设计计算方面取得 了长足的发展，随着计算技术的发展，特别是电子计算机的逐步使用，近年来我 国的机械设计也已开始由经验类比走向通过试验、计算的设计阶段。特别是在机 床设计方面进展较快，取得了不少成果，且不少已为工厂实际设计所采用。例如， 在采用有限元法对机床结构的静、动态特性进行计算。发展了像有限元法这样全 新的解决力学问题的通用计算方法，即使很复杂的结构( 如飞机、机床、汽车等) 也不要作很多的简化，而且计算速度快、精度较高。 另外，由于一些先进的测试技术和装置的发展，已经可以对机器的关键零、 部件进行各种性能试验，从而计算出科学可信的实验结果并能指导生产进一步提 高产品质量。现在，首次设计图纸的可信赖程度进一步提高( 尤其使用三维建模 软件以后) ，设计周期大为缩短，同时产品性能还提高了很多。 北京工业大学工程碗士学位论文 有限元分析技术与在测试分析技术结合，就可以从理论分析的角度对印刷机 的结构进行有限元数值模拟分析，对该系统进行静动态特性分析和振动特性分 析，从而为胶印机的改进与优化提供有效的理论依据。把这些数据再跟实际的经 验数据比较，并进行矫正，最后再利用矫正后的正确数据对设计进行科学合理的 改进，从而大大提高了设计可靠性、准确性、经济性。 针对y p 2 b o 全张双色胶印机设计中存在的不足，尤其是因滚筒重量较重，对 装配、调节、运输、维修等带来了很大麻烦等问题展开深入研究，从结构、成本 入手改善印刷机的整体性能。同时为提高全张滚筒的综合指标，充分考虑到用户 的利益，在不改变印刷机滚筒刚性和其他综合性能的同时，对其结构进行重新设 计。 滚筒都用p r o e 三维图形设计软件建立出各个滚筒的三维立体模型。根据有 限元分析原理，利用p r o e 软件的有限元分析模块，并根据实际的边界约束条件， 对滚筒进行约束简化，利用有限元模型分析滚筒的多个重要参数。然后对修改前 后滚筒的各项重要参数做比较，从而更好地改进滚筒结构。 课题的主要研究目标如下： ( 1 ) 完成y p 2 b o 全张双色胶印机印刷单元核心零件现结构和改进设计结构的 有限元模型的建立，并计算出滚筒的重量，模拟平衡的配平过程。 ( 2 ) 完成y p 2 b o 全张双色胶印机印刷单元滚筒间印刷压力的数字测量和分 析。为进一步提高印机的综合性能提供了可靠数据。 ( 3 ) 从减重的角度出发，采用f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 。3 等现代设计 方法对印刷机核心零件印刷滚筒进行的性能分析研究，分析并确定全张双色 平版胶印机滚筒的应力状态，进行机械结构的改进。从而更加提高滚筒的综合性 能，为提高国产印刷机械产品性能质量、降低产品成本并提高产品市场竞争力开 辟了新的道路。 第2 章有限元法的基本理论和p r o e 软件简介 第2 章有限元法的基本理论和p r o e 软件简介 从有人提出“有限元”方法的概念，到今天有限元在工程上得到广泛应用， 经历了四十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。国际上早在上世纪 6 0 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正形成有效 的c a e 软件是7 0 年代初期，而近2 0 年则是有限元c a e 软件商品化的发展阶段， c a e 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销 其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行 了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的有限元c a e 软件，在功能、 性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前 需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展 和工程应用做出了不可磨灭的贡献。 2 1有限元方法的基本理论 2 1 1 最小位畿原理 当弹性体受剑外力作片j 时，它就发生变形，凼而外力在变形位移方向上对弹 性体做功。如果不计弹性体在加载和卸载时能量的损失，则对这样的物体在变形 时所做的功，可以看成是存储在物体中的能量，称为应变能。应变能的大小为 u = 丢扛j p 弦矿= 丢j 叠，p 扣y ( 2 一1 ) 可以写成完全由应力表示的形式 u = 扩上2 e + 司+ 彰卜- 等( o x g y + o y t 7 z + 呱) + 去( 如如a k 2 - 2 ) 也可以写成完全由应变表示的形式 【，= g j f 钫( q + + t ) 2 + 詈( + + ) + i 1 ( 2 + y 五十庀) p 矿( 2 书) 当体积力和表面力同时作用时，则外力位能为 w = 一( 。，+ y v + z w ) d v f ( i 。+ 7 ，+ 乏w ) a s ( 2 4 多 一一。! 一，一。一二! ! 薹三些奎耋王耋鎏：鎏! ! i ! 。，一，。一一，。，一 式中 砖表面力己知的那一部分边界( 一般地说，弹性理论问题中，表面 力已知的边界，用品表示；另一部分是位移已知的边界，用鼠代表) 。 为了简便，外力位能可以简写为 形= 一 ，譬矗， = 一 ，r 矗 ( 2 5 ) 式中扩f 作用在结构上的外力分量( 可以是体积力或表面力) ； 白， 位移分量( 可以是挠度或转角) ； f y 相应的外力列阵； 白卜一相应的位移列阵； 这样，则弹性结构在外力作用下的总位能是 玎= u + w = 昙忙r 移弦矿一扩 7 g ( 2 - 6 ) 经过适当的推导，式( 2 6 ) 又可以简写为 y i = u ( u ，v ，w ) 一妒r k ( 2 7 式中以u 旷_ 葫足瓯上几何边界条件的任意单值连续函数 式( 2 7 ) 说明总位能兀是一个函数的函数，即泛函。 受外载荷作用而处于平衡状态的变形弹性体，在很多可能的变形曲线中，使 总位能最小的那一条曲线是真正的变形曲线。也就是说，总位能兀取极值的条件 o i - = 0 给出真实位移。这就是“最小位能原理”。虚位移原理是最小位能原理的 一种表达形式，可用公式表示为 羽2 艿u 一占w = o( 2 - 8 ) 2 1 2 有限元法的基本解题方法 进行有限元分析的基本步骤之一就是要找出所剖分单元的刚度矩阵和质量 矩阵。以静位移的求解为例，我们讨论有限元法的基本解题方法。 ( 1 ) 建立单元位移函数根据单元的性质和精度要求，先设定表示单元体内 任意点位移的位移函数“( 。，：) ，”( 。，：) ，w ( 。，；) 为 第2 章有限元法的基本理论和p r o e 软件简介 和) = h 。，忙 式中i s ( 。，：) 应能使位移函数协调的矩阵 a 待定系数组成的矩阵 将位移函数的坐标值代入，就可以确定待定系数，得到位移函数。 ( 2 ) 计算单元的应变 e )根据材料力学有应变公式 抛 s x 。一o x 可以得到 s ) = 明 q j 式中 s ) 单元的应变列阵； 讲单元的节点位移列阵 f d 二 比聘 嘶盼饥 v j功 7 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 3 ) 计算单元的应力fol根据材料力学有 fo _ 明 ) = 明 明 讲 ( 2 - 1 2 ) 式中 明弹性矩阵 ( 4 ) 求单元刚度矩阵根据虚位移原理或直接从应变能的表达式中，可得单 元刚度矩阵 明2 【例7 d i b d v ( 2 1 3 ) v 加一反 挑一砂锄一如 加一击 挑一巩 0 t = = = k k 例如，对于六面体立体单元，将其各相应的积分上限代入上式，得 明= j o 【占 7 d b d x d y d z = i ：， 曰】7 1 矿 a x a y a z 单元刚度矩阵 k 的元素k 。可以用下面的公式计算 k 2 喜慨d x d y d z = 喜“慨d x d y d z 用上述方法逐个计算各刚度矩阵元素，最后可得到六面体立体单元的单元刚度 矩阵。 ( 5 ) 求有限元方程根据总位能泛函式的极值条件6 1 7 = 0 ，或自虚位移原理 可以写出单元力的平衡方程 力= 明 办( 2 - 1 4 ) 式中f 丹单元节点外力向量： q ) 单元节点位移向量 把各单元进行组集，即得结构的整体力的平衡方程，即有限元方程 户的( 2 - 1 5 ) 式中f 节点外力向量； g 节点位移向量； 肛总刚度矩阵 对方程进行边界条件处理，求解方程组卢绚，就可以得出整体结构各节点 位移 q = k 1 f ( 2 - 1 6 ) ( 6 ) 应力计算在计算出节点位移后，根据( 2 1 2 ) ，即可求出相应节点的应 力。 2 2 有限元法解题的过程 有限元解题的解题过程是结构的离散化，选择位移模式，建立平衡方程，求 解节点位移，计算单元中的应变和应力。 结构的离散化是有限元的基础。所谓离散化，就是将分析的结构分割成有限 个单元体，使相邻单元体仅在节点处想连接，而以此单元的结合体去代替原来的 第2 章有限元法的基本理论和p r o e 软件简介 结构。如果分析的对象是珩架或者是刚架，显然可以取每一根杆作为单元，因为 这一类结构就是由每一根杆件相互连接而成。如果分析对象是二维或者三维的连 续介质，就是根据实际物体的形状和对于计算结果所要求的精度来确定单元的形 状和剖分方式。 选定离散结构所用的单元之后，要对典型单元进行分析，分析的时候首先就 要对单元假设一个位移插值函数，或者称之为选择一个位移模式。选择了位移模 式，就可以通过节点的位移得到该节点所在单元体内任意一点的位移。同时，也 可以用几何关系和应力应变关系来倒出单元体的应力应变关系式。 一般情况下，要对结构或者构件通过某一种能量变分原理来建立平衡方程， 边界条件以及初始条件。例如对于有限单元的位移法，就是通过最小势能原理来 建立结构的节点位移和节点载荷之间的关系式，即结构的平衡方程。 将通过能量原理建立的平衡方程以及给出的边界条件，初始条件，联立方程 式进行求解，可以得到所有节点位移，依据这些节点位移，通过上面选择的位移 模式，就可以得到任意一点的应力和应变。 有限元法发展到今天，已经成为一个重要的通用的设计工具，有许多大型商 品化有限元程序可供选用，应用有限元程序在计算机上进行大型有限元分析时， 第一步，划分有限元网格，当然这首先需要建立一个完整的有限元模型。第二步， 选择位移模式通常是和第一步捆绑在一起的，在a n s y s 中划分单元时，要求指定 所划分的单元的类型，在某一种单元类型中，同时就包含了位移模式，而对于相 同的单元( 甚至相同节点数) ，不同的位移模式，在程序中会将它分配另外的编 号。第三步，建立平衡方程，一般情况下这一步是不能看到的，程序通常是根据 所求解问题的类型来分配相应的，最好的方法。例如，对于选择位移为基本未知 量的大型结构，程序分配采用最小势能原理；对于大变形相关弹塑性问题，程序 就会给定最小虚功率原理。第四步，需要选择一定的求解方程组的计算方法和相 关的设置，程序就会进行求解并得出位移和其他量( 如应变，应力) 的节点值以 及单元体内非节点的值。至此，求解完成。第五步，就是输出和显示计算结果。 在a n s y s 有限元程序中有限元的解题步骤被分为三步：前处理、求解和后处理。 当前有许多专门用于有限元分析的软件，如a n s y s 、n s t r a n 、c o s m o s 等，它 们有相对完整的前后处理模块，并以高效的求解算法闻名，可完成多学科、多领 域的分析任务。但是，这些软件的c a d 功能相对较差，往往难以完成复杂模型的 建模，因此大大影响工作的效率。而p r o e n g i n e e r 拥有功能强大的c a d 模块， 建模恰恰是其优势所在，因此利用p r o e n g i n e e r 系统提供的有限元分析功能， 可以方便地完成有限元模型分析的前处理工作，快速建立有限元模型，然后将有 限元模型导入到专业有限元分析软件中进行计算、分析，既可克服专业有限元软 件前处理能力不足的缺点，还可 以大大提高整个有限元分析工作 的效率。 一个典型的p r o e 分析过程 可分为以下三个步骤 ( 1 ) 创建有限元模型 ( 2 ) 施加载荷进行求解 ( 3 ) 查看分析结果 这三个步骤将由不同的 p r o e 模块完成。通常有以下三个 部分：前处理模块，分析求解模 块和后处理模块。如图2 一l 所示。 2 2 1前处理 图2 - 1 有限元分析流程图 f i g 2 - 1 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf l o wc h a r t 有限元分析的前处理是指应用c a d 图形软件对工程或产品进行实体建模，进而 建立有限元分析模型。有限元前处理具体工作包括建立实体模型、选择单元类型、 确定各单元的编号及坐标、单元的划分、检查有无畸形单元、定义载荷、定义边 界条件、确定材料属性等工作。有限元的前处理工作不但烦琐、费时，也容易产 生错误。因此有限元分析的前处理将直接影响整个有限元分析过程的速度，该部 分的功能强大与否很大程度上反映了整个分析过程的效率。”j 2 2 2 主分析计算 主分析计算部分是有限元分析的核心，它是将有限元模型提交给计算机， 并由计算机自动完成计算工作。有限元的原理和采用的数值方法均集中于此，因 4 第2 章有限元法的基本理论和p r o e 软件简介 此它是有限元分析准确可靠的关键，选用合理的计算方法可以提高有限元分析的 计算效率、结果精度以及可靠性。 主分析计算是有限元模块的主题和目的，通常可以进行以下几种分析计算 ( 1 ) 线性静态分析该类型分析应用广泛、计算简单，主要用于计算零件 在静力作用下和弹性变形范围内的应力、变形、应变能和约束力等。本文后面采 用的分析方法就为线性静态分析。 ( 2 ) 线性动态分析该类型的分析主要用于计算零件的动力特性以及动载 荷作用下的各种响应、动应力等。 ( 3 ) 热力学分析该类型的分析用于计算零件在温度载荷作用下的温度分 布、热膨胀、热应力以及热流量等。 ( 4 ) 非线性分析该类的分析用于计算非线性材料零件或零件在塑性变形 情况下的力学特性。 ( 5 ) 流场分析该类型的分析用于计算流体力学中流体的流动特性。 2 2 3 后处理 后处理是将有限元计算分析结果进行加工处理并形象化，以便于用户对结构 变形、应力等进行直观的分析和研究，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理 性。在后处理中主要包括数据输出和图形显示。 经过有限元主分析计算后，由于模型的节点极多，因此输出的数据量大得惊 人。如果人工来分析这些数据，不仅工作量巨大，容易出错，而且也很不直观。 因此在有限元后处理过程中，可以将结果数据以图形形式显示，这样可以形象直 观地表示计算结果使用户能够快速对计算结果进行分析，从而对模型做出合理的 判断。 经过有限元的后处理，用户可以方便地得到有限元模型的网格图、结构变形 图、应力图、值线图、位移图等值线图和温度等值线图等，同时还可以在各个等 值线图上用不同的颜色加以形象化，便于用户分析。 2 3 p r o e n g i e e r 软件简介 p r o e n g i n e e r 工具软件是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ，简称p t c ) 的重要产品。p r o e 程序是一1 个功能强大的灵活的设计 北京工业大学工程颂士学位论文 分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析 软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日 用家电等般工业及科学研究。p r o e n g i n e e r 第个提出了参数化设计的概念， 并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，采用模块化方式，用户 可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。p r o e 软件致力于模型的 仿真、动画和模型结构的静力分析、动态分析、模态分析以及热力学分析等，已 经成为世界上用户众多、最受欢迎的模态仿真和分析软件之一。而有限元分析 ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，简称为f e a ) 已经成为工程设计中不可缺少的重要 的c a e 工具。 6 1 2 3 1 与c a d 软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用c a d 软件的集成使用，即在用 c a d 软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到有限元c a e 软件中 进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进 行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了