（机械工程专业论文）四柱式液压试验机结构分析及其优化设计.pdf

s t r u c t u r e a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f b a s e o ff o u r - p i l l a rh y d r a u l i ct e s t i n gm a c h i n e b y x uh a i t a o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f z ex i a n gb o at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作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责任由本人承担。 敝作者虢许岛穆 日期劫亿、f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 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鉴；本人授权济南大学 可以将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、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 敝储签薪黟廖导师虢昌自斜吼川7 7 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪 论1 1 1 选题背景1 1 2 选题目的和意义1 1 3 国内外四柱式液压试验机研究现状以及存在的问题。2 1 4 主要研究的内容一2 1 5 本章小结3 第二章四柱式液压试验机底座的有限元分析5 2 1 有限元概述5 2 2 四柱式液压试验机概述5 2 2 1 四柱式液压试验机本体结构一6 2 2 2 四柱式液压试验机工作原理8 2 3 四柱式液压试验机的工况以及底座受力计算9 2 3 1 四柱式液压试验机的工况9 2 3 2 四柱式液压试验机底座的受力计算1 1 2 4 四柱式液压试验机底座模型简化11 2 4 1 底座的有限元分析流程1 1 2 4 2 模型结构简化1 2 2 5 四柱式液压机试验机底座参数以及边界条件的确立1 3 2 5 1 参数的选取1 3 2 5 2 模型添加边界条件13 2 6 四柱式液压试验机底座的有限元分析1 3 2 6 1 底座模型的建立1 3 2 6 2 网格划分15 2 6 2 求解及其后处理1 6 2 7 本章小结1 7 第三章 四柱式液压试验机底座的优化1 9 3 1 结构优化概述19 3 1 1 0 p t i s t r u c t 优化1 9 3 1 2 形状优化和o p t i s t r u c t 形状优化流程2 l 3 2 液压试验机底座形状优化2 2 3 2 1 建立优化模型2 3 3 2 1 定义优化问题2 5 3 2 2 底座优化结果2 5 3 3 本章小结2 9 第四章基于a n s y s 二次开发的底座部件有限元分析3 1 济南大学硕士论文 4 1 概述31 4 2 基于a n s y s 二次开发的液压试验机底座有限元分析过程3 2 4 3 本章小结3 8 第五章总结和展望3 9 5 1 总结3 9 5 2 展望3 9 参考文献一4 1 致谢4 5 济南大学硕士学位论文 摘要 液压试验机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现各种力学测试的试验机 器。随着节能降减耗日益紧迫的形势，开展液压试验机的结构研究以及优化的工作，是 一项非常重要工作。目前，进行新产品的开发时，设计者通常借助经验类比，效果不理 想。 针对目前形势下试验机行业出现的问题，并结合了济南时代试金有限公司提出的对 于试验机的轻量化设计，本文从有限元角度，对于产品的优化和参数化设计进行了研究， 内容如下：基于s l i d w o r k s 、h y p e r m e s h 和a n s y s 对底座做了一种比较精确的有限元分 析，并使用o t i s t r u c t 对底座进行了形状优化，得到更加合理的底座结构，保证强度的基 础上降低了成本。同时，还针对底座结构作了简化，提供了一种基于命令流的参数化分 析方法，即基于a n s y s 软件的二次开发，实现了对典型零部件和同类零部件同种工况 下的分析，大大提高了工作效率。 提出了一种对于液压试验机结构分析的新思路，同时引入形状优化技术，使得结构 设计更加合理，指导工程设计。 关键字：液压试验机；底座；有限元分析；优化；二次开发 i i i 济南大学硕士论文 a b s t r a c t h y d r a u l i ct e s t i n gm a c h i n ei sak i n do ft e s t i n gm a c h i n et h a tt r a n s f e r se n e r g yt or e a l i z e m e c h a n i c a lt e s tb yl i q u i da sm e d i u m w i t ht h eu r g e n ts i t u a t i o no fe n e r g ys a v i n ga n dr e d u c i n g e m i s s i o n s ，c a r r y i n go u tw o r ko fs t r u c t u r er e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no fh y d r a u l i ct e s t i n g m a c h i n eb e c o m e sa ni m p o r t a n tw o r k a tp r e s e n t ，t e c h n i c i a n sa l w a y sd e s i g nan e w p r o d u c tw i t h e x p e r i e n c e ，s ot h ee f f e c ti sn o ti d e a i nv i e wo ft h ep r o b l e mo ft h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nt e s t i n gm a c h i n ei n d u s t r y ，a n d c o m b i n e dw i t hl i g h t w e i g h td e s i g nr a i s e db yj i n a nt i m e ss h i j i nc o ，l t d ，f r o mt h ea n g l eo f f i n i t ee l e m e n ti nt h i sp a p e r ，s o m ew o r ka b o u to p t i m i z a t i o na n dp a r a m e t r i cd e s i g no fp r o d u c t w a sd o n e ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gc o n t e n t ：g e t t i n gam o r ea c c u r a t ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o da b o u t + t h ea n a l y s i so ft h eb a s eb a s e do ns o l i d w o r k s ，h y p e r m e s ha n da n s y s ，a n d o p t i m i z et h eb a s em o d e lb yo p t i s t r u c t w eg e tam o r er e a s o n a b l em o d e l ，b a s e do nt h eg u a r a n t e e o f s t r e n g t h a tt h es a m et i m e ，w eg e tap a r a m e t e r i z a t i o na n a l y s i sm e t h o db a s e do no r d e rf l o w , n a m e l ya n s ys e c o n dd e v e l o p m e n t ，w h i c hr a i s et h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya b o u tt y p i c a lp a r t s a n dt h es a m ec o n d i t i o na n a l y s i so fs i m i l a rc o m p o n e n t s t h i sw o r ki sm e a n i n g f u l p u t sf o r w a r dal 【i n do ff i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i sf o rt h es t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i ct e s t i n g m a c h i n e ，a tt h es a m et i m e ，i n t r o d u c i n gs h a p eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sm a k e st h es t r u c t u r a l d e s i g nm o r er e a s o n a b l e ，g u i d i n gt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct e s t i n gm a c h i n e ；b a s e ；f i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n ；s e c o n d d e v e l o p m e n t i v 济南大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早瑁下匕 液压试验机是一种以液体为工作介质，用来传递能量以实现验证某种产品是否符合 设计要求的仪器。液压试验机是试验机行业中的重要机械设备，同时也是衡量一个国家 的机械制造业水平和能力的重要标志之一，在国民经济中具有很重要的地位，它为我国 的国防、航天以及交通运输等行业的产品检验做出了不可替代的重要作用【1 1 。 1 1 选题背景 目前我国制造的液压试验机，能保证良好的性能、质量和可靠性，但是，与世界 工业发达国家相比，我国在液压试验机方面的技术和水平还是有一定差距的。如品种 和规格不全，特别是大、高、精、尖的设备有些还要依赖进口；主机可靠性和自动化 程度还有待于进一步提高，在国际市场上还缺乏竞争力；设备在能耗、材料利用率、 生产率和环保方面有待于进一步增强1 1 , 2 】。 针对液压试验机的设计要求，以及节能降耗日益紧迫的形势，开展液压试验机的 结构研究以及优化，是一项节约资源和能源的、同时提高液压试验机社会效益和经济 效益的重要研究课题，具有重大的现实意义。目前，我们在设计新的液压试验机以及 对一些试验机的结构进行改进的时候，往往是用以往的经验进行比较，效果不是非常 的理想，容易出现各种问题，比如横梁的卡死等 3 1 。 1 2 选题目的和意义 济南时代试金集团的技术人员为了降低产品的生产成本，提出对四柱式液压试验 机机架优化的想法。 首先，机架的结构和受力情况非常复杂，所以它的应力和应变不好计算，尚没有 解析解，本文尝试从有限元角度去解决这个问题。 其次，从企业利润方面，设计和制造液压机时在保证机器安全性能的前提下尽量 减少钢材用量。在一般的优化问题巾，在保证各个约束条件满足的条件下，使用常规 的优化设计方法，可以在多种设计方案中选择最完善、合适的方案。但是，液压试验 机底座的结构复杂，无法把优化模型里面的约束函数和目标函数转化成变量的数学显 式，无法进行迭代的函数运算，因此使用常规的优化方法比较困难。本文结合优化方 疥南大学帧士论文 曼! 曼鼍曼皇曼曼曼曼! 皇曼! ! 曼量量曼皇曼曼鲁曼! 皇曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼! ii 曼! 曼! 曼罡曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼量皇曼曼曼曼量舅曼! 曼 法和有限元技术，基于有限元软件a n s y s ，对液压试验机底座进行结构优化设计【4 1 。 最后，对于那些具有相同工况的零部件的重复性分析，可以使用a n s y s 自带的 a p d l 语言参数化建模以及创建宏文件实现二次开发，开发出具有专用菜单对话框的 分析流程，实现含有前处理、求解以及后处理的有限元分析过程，从而大大减少操作 步骤以及一些重复计算时间，简化求解过程【5 1 。 1 3 国内外四柱式液压试验机研究现状以及存在的问题 目前，国际上许多大型的液压机机生产企业对于液压机的结构设计方面根据市场 需要，组织专业人员做了大量的工作，比如说德国的m u l l e r 公司、日本住友株式 会社、美国科麦隆公司等，但是这些都是不能对外公开的企业机密，所以很多方面仍 然无法突破，存在不少问题。 其一，在结构设计方面，因为缺少有限元软件和优化软件的辅助，设计人员更多 的是结合材料力学计算以及以往设计经验进行结构设计，这样效果并不是很好，某些 问题得不到解决仍然会导致某些部件出现问题【6 1 。 其二，国内的液压试验机同国外和台湾的液压试验机比较，有一个典型的缺点就 是相对笨重，这必然会提高生产成本，降低市场竞争力【7 1 。 其三，由于客户的需求不同使得某些参数发生变化，技术人员必须在结构上进行 改变，从而产生很多冗余的工作，增加设计时间，不能迅速的应对市场变化，并使成 本增高 8 1 。 国内好多大学都对液压机机架的结构设计方面做过研究，如燕山大学和南京理工 大学等等，燕山大学对4 5 m n 快锻液压机本体关键部件结构进行了设计与分析，南京 理工对液压机的机架结构进行了优化，这些研究推动了液压试验机行业的进步。 1 4 主要研究的内容 本课题主要针对试验用的液压机展开研究，因为相对锻压用的液压机来说试验用的 液压机本身具有精度高，速度慢的特点，所以本文在研究时也非常注意这两点。 当需要设计一台新结构型式的液压机、或想对原结构进行改进设计时，设计者通常 以经验类比，因此效果不理想。近年来某些液压机的横梁产生裂缝甚至断裂，这就是这 方面的例证 3 】，为解决液压试验机机体笨重及工作过程出现的上述问题，本文拟进行如 下研究： 济南大学硕士学位论文 ( 1 ) 充分利用三大软件s o l i d w o r k s 、h y p e r m e s h 、a n s y s 各自的优势，对液压机底 座进行有限元分析，得到该液压机底座的受力情况，主要计算在最大受力( 2 0 0 0 0 n ) 情 况下的底座的应力分布，根据应力分布云图提出优化方案，然后尝试使用o p t i s t r u c t 软件 对底座结构进行优化，在保证底座的强度的基础上，得到更加合理的底座结构，节省材 料，降低生产成本。 ( 2 ) 使用a n s y s 软件的a p d l 语言，对底座进行参数化建模以创建宏文件命令 流，来实现底座的有限元分析，可以解决结构相同尺寸不同以及同一部件同类工况的 重复性分析的问题，从而大大减少了用于分析的工作量，提高了工作效率。这种一键 式二次开发的应用能够使普通技术人员更加方便的进行有限元分析，并在指导产品设 计时具有重要意义。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题的研究背景、目的和意义，并对液压机在结构方面的国内外目 前发展情况以及发展趋势作了简单的阐述，最后介绍了本文的研究内容。 4 济南大学硕士学位论文 第二章四柱式液压试验机底座的有限元分析 液压试验机的设计水平是影响液压试验机质量的非常重要因素。机架又是液压试 验机非常关键的部件，所以机架的设计非常重要，本文中机架主要是由横梁和底座构 成，在这里，经过先前的有限元分析发现横梁的优化空间并不大，同时底座占有整个 机架的绝大部分质量，所以本文着重从底座的角度进行分析和优化。 底座承受着液压试验机工作时的全部工作载荷，其结构和受力情况都非常复杂， 所以它的应力和应变不好计算，尚没有解析解。本章尝试从有限元的角度去解决该问 题。 2 1 有限元概述 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是一种数值计算方法，它广泛应用于工程 领域中，它最典型的作用使解决了工程方面中的结构分析问题，同时也已经很好的解 决掉电磁学、传热学、声学、流体力学等方方面面的问题，有限元法已经有了4 0 多年 的发展历史，并且理论方面已经比较完善，并且基于优化方法学、有限元理论、计算机 图形学等方面，诞生了一批使用方便、功能强大。技术可靠的专用有限元软件，这些各 个领域的软件已经解决了工程领域里许许多多的大型科学计算难题，比如说机械、土木、 锻压、物理、数学、核电、宇航等等。有限元软件发挥了巨大的作用，推动了科学的进 步以及社会的发展，为我们带来了很大的经济以及社会效益【9 ，1 们。 2 2 四柱式液压试验机概述 广义的来讲，试验机是一种对材料或者产品在其投入使用之前进行的按照性能和质 量要求进行检验的仪器。因此，广义上的试验机包含了对产品的性能和质量使用前的进 行检验的所有仪器，这里面的许多设备有时候也叫做检验设备、检测仪、测试仪等名称， 不同的行业有不同的叫法，如纺织业的强力机也就是试验机行业的拉力试验机。试验机 通常用来测试产品和材料的物理性能，例如钢材的抗拉强度、屈服强度等【1 ，1 1 】。 液压机是一种以液体作为工作介质，根据帕斯卡原理制成的用于传递能量以实现各 种工艺的机器。液压机一般由本机( 主机) 、动力系统及液压控制系统三部分组成【1 ，12 1 。 济南大学硕士论文 2 2 1 四柱式液压试验机本体结构 液压机本体一般是由机架、液压( 工作和回程) 缸部件、运动部分和导向装置以 及其他辅助装置组成。辅助装置则是根据工艺需要而增设，如顶出装置、穿孔装置、 移动工作台、加热保温装置等 1 , 1 3 1 。 工艺要求是影响液压机本体结构形式的最主要因素，由于在不同液压机具有不同 的用途，所以液压机的本体形式也就必然是多种多样的。 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、圆筒式及钢筋混凝土整体浇筑式等【1 4 】。 设计液压试验机本体结构时的三个原则： ( 1 ) 满足工艺要求的前提下操作简便。 ( 2 ) 强度和刚度合理，使用可靠，不易损坏。 ( 3 ) 具有很好的经济性，重量轻，制造维修方便 1 5 】。 本文中的四柱式液压试验机是由底座、液压缸、运动部分及其导向装置、横梁、 工作台以及其他辅助装置组成。根据工艺需要而增设的辅助装置有紧固板、卡环等。 其结构如图2 1 所示，三维模型如图2 2 所示。在这种结构中，电机带动装有大螺母的 横梁沿着立柱( 丝杠) 上下移动，工作台的上下移动是通过装在底座中的液压缸的推 动实现的，工作时，测试工件放在工作台上，横梁下降到一定高度后，液压缸推动工 作台向上移动，实现对工件的挤压，然后通过传感器采集工件变形的相关数据，实现 测试过程。 6 济南人学侦t ：学位论文 电机 横梁 套筒 底座 图2 1y a w 一2 0 0 0 0 n 液压试验机简图 图2 2 本文， i | ，i ，j 液压试验机三维示意图 7 济南大学硕士论文 i i 皇曼曼曼苎曼! 皇! 董童曼皇曼曼鼍皇! 曼! ! 曼舅曼曼曼皇曼曼曼! ! ! ! ! 曼皇曼曼曼 2 2 2 四柱式液压试验机工作原理 液压试验机的工作原理是帕斯卡原理一液体压力在静态下是等值传递的，它是通过 液体的压力来进行工作的。液体的压力传递原理是：在充满液体的密闭容器里，任一点 单位有外力的作用，都会传递至全部液体，而且数值不变。很多液压机械都是建立在这 个原理的基础上制成的【l 】，如图2 3 所示。 图2 3 液压机的工作原理 卜小柱塞；2 一大柱塞；3 一工件 盛 盎 |窭r ； 。h _ 争一m ，与l 。生 。妊| 乙j 淄4l m 1 - f m 些呈 垦秘圳，；繁 雹 、 、 。， 彭穷 l季蓼 、 、 r 、 、 l lj1 霉 i t、 ， 么鹫 图2 4 横梁及其上端传动装置 济南大学硕士学位论文 连通器中充满液体，并在一端装有一个小柱塞( 面积为彳，) ，另一端装有一个大柱 塞( 面积为a 。) 。在连通器和柱塞中间放有密封装置，这样就是使得连通器的内部成为 一个完全密封的空间，不会导致液体泄漏。当小柱塞上受到一个外力届时，我们可以计 算出作用在液体单位面积上压力是p = f , , 4 ，。根据液体的静压力传递原理，液体的每一 个质点都会受到来自于那个单位压力确作用力，作用方向是垂直于作用面的。连通器 另一端的大柱塞受到垂直于地面的单位压力p ，产生的向上的大小为尼刊胸推力。 从上面我们可以看得出来，如果增大大柱塞的面积，小柱塞上小的力厉就可以在大 柱塞上产生较大的力尼。在这里，小柱塞和大柱塞分别相当于液压机中液压泵和工作缸 的柱塞【1 , 1 6 , 1 7 1 。 。 本文中的液压机区别于传统意义上典型的四柱式液压机，如图2 1 、图2 2 和图 2 4 所示，工作的时候，工件放置在工作台上，然后横梁向下移动，横梁的移动不是通 过液压缸直接驱动的，而是通过横梁上方的电机驱动实现的，电机带动一个齿轮转动， 这个齿轮的转动又带动另外一个与之啮合的齿轮转动，这两个转动的齿轮分别作为主 动轮带动一套含有两个从动轮的链轮转动，这两套链轮实现了另外四个链轮的转动， 这四个作为从动轮的链轮固定在四个大螺母上( 以上的这些的零部件同横梁都是一体 的) 而这四个螺母与作为立柱的四根丝杠是相配合的，这样就实现了电机的转动带动 了横梁的上下移动。当横梁下移到一定位置停止，然后液压缸向上推动工作台移动， 当工作台上的工件碰到上砧板后，液压缸继续施加力的作用，开始进行压力试验。实 现测试过程。 2 3 四柱式液压试验机的工况以及底座受力计算 2 3 1 四柱式液压试验机的工况 当液压机工作的时候，上横梁下降到一定位置，底座上的液压缸推动放有工件的工 作台向上慢慢移动，直到工件上表面接触横梁下部的压板，液压缸继续向上施加力， 开始试验测试。 本次课题研究的液压机，高压液体进入工作缸，推动工作台向上运动，使工件在工 作台和横梁之间产生塑性变形，整个作用力向下通过工作缸的法兰传到底座上，向上 则传到横梁上，最后作用于底座、横梁及立柱构成的封闭框架，这个封闭的框架就是 液压机的机架，机架是液压试验机非常关键的部件，所以机架的设计非常重要，底座 9 济南大学石贞士论文 又是机架最重要的部分，而且底座承受着液压试验机工作时的全部工作载荷，底座的 受力情况和结构都是非常复杂，所以它的应力和应变不好计算，没有解析解。 以工件为起点开始看，液压缸对工件的压力传到横梁上，而横梁是通过与其相连的 丝杠进行约束的，丝杠固定连接到底座上，也就是说底座通过四个与丝杠相连的卡环 把横梁约束住，同时液压缸另一端的固定支撑也是因为固定在底座上实现的，所以说 底座的受力可以简化为2 5 j ，t 受力情况如图2 6 所示。 图2 5 工件受压测试时工况图 图2 6 底座受力示意图( 粉红箭头为受力，绿色箭头为支撑) 1 0 济南大学硕士学位论文 2 3 2 四柱式液压试验机底座的受力计算 我们把机架看成一个空间框架，全部按照空间框架的受力情况来求解，也不考虑 它的对称性，这种情况下，它一个超静定的空间受力结构，非常复杂，同时也没有必 要性。 作为工程计算，我们可以进行近似计算，需要做一些相应的假设【1 1 。 1 因为机架的前后基本是对称的，所以用平面框架来取代空间框架。、 2 丝杠同底座之间是刚性连接。 3 计算中忽略温度应力。 4 该机型y a w - 2 0 0 0 0 j 液压试验机最大受力为2 0 0 0 0 n 。 5 假设机架受力为中心载荷作用下。 中心载荷情况下受力计算是最简单的一种情况，在这里假设横梁、底座相对于丝 杠的刚度很大，所以可以忽略横梁、底座变形所引起的弯曲应力，此时丝杠仅承受轴 向拉力，而且几个丝杠均匀受力，每根丝杠所受的轴向拉力大小为 ，兰。辈懿徽辫，_ 一_ r 一一锯慨 辅 蠢譬 式中p 一液压试验机的公称力( k n ) ： n 一一立柱的数目。 2 4 四柱式液压试验机底座模型简化 针对液压机底座进行有限元分析，首先要简化实际模型，做一些必要的处理来满 足进行有限元分析所要具备的要求，如工作状况的简化，实际结构的模型简化【17 1 。 2 4 1 底座的有限元分析流程 液压试验机底座的有限元计算的基本流程和步骤( 流程见图2 4 ) 可以如下归纳 1 9 】： 1 四柱式液压试验及底座结构的模型建立 使用三维建模软件建立液压试验机横梁、底座、丝杠、工作台等以及组装各零部 件实现整机结构实体模型。 2 离散系统模型 济雨大学坝士论文 利用有限元方法，将建立好的模型导入到划分网格软件中划分网格，也就是把系 统模型离散成许多单元组成的可以计算的模型。一些具有连接关系的单元要建立接触 关系，其他离散单元节点为刚性连接。 3 分析系统单元的特性 确定各个零部件的材料，并根据系统模型的单元属性建立单元组件。 4 导入有限元文件进行计算 在求解器中导入已经建立好的有限元文件，然后设置边界条件和计算控制参数， 进行计算。 5 求解以及后处理 有限元求解计算后得到应力以及变形的分布云图，可以确立液压机底座部件的状 况，然后验证设计模型是否合理。 2 4 2 模型结构简化 关键部件模型建立 u 系统模型离散化 u 系统单元特性分析 u 有限元文件导入 u 求解以及后处理 图2 4 液压试验机计算流程图 液压机底座形状比较复杂，材料采用q 2 3 5 球墨铸铁，为了不使问题太复杂，并且 保证计算精度，把结构进行合理的简化将比较有利于计算效率，本课题做了以下简化。 1 所有铸件不允许出现缩孔、裂纹等铸造缺陷； 2 不考虑丝杠的液压缸和丝杠的支撑作用； 3 忽略重力的影响； 4 某些地方是焊接的，把它们这砦焊接的结构视为一个整体【2 0 】。 1 2 济南大学硕士学位论文 2 5 四柱式液压机试验机底座参数以及边界条件的确立 2 5 1 参数的选取 本文中所涉及的液压试验机为y a w - 2 0 0 0 0 j 型号，主要技术参数 最大受力： 2 0 0 0 0 n 立柱数量：4 个 本文中的底座材料采用的是球墨铸铁，弹性模量为1 6 0 g p a ，泊松比为o 2 5 ，密度为 7 3 9 c m 3 ，屈服强度为2 5 0 m p a 。 2 5 2 模型添加边界条件 1 力约束 在本课题中做了相对简化，跟实际情况最相符的是等同于在底座上表面的圆环面受 大概1 0 0 0 0 n 的力，同时在底座下方同丝杠接触的地方有四个反作用力每个为5 0 0 0 n ，如 2 3 节所述。 2 位移约束 同鬈新述，该工况下把底座下端的四个支撑板作为固定支撑 1 7 1 。 2 6 四柱式液压试验机底座的有限元分析 s o l i d w o r k s 是非常方便的建模软件，h y p e r m e s h 是非常精确的网格划分软件，a n s y s 又是最常用的有限元分析软件，所以充分发挥每一个软件的优势，结合这三个软件在一 起进行底座的有限元分析，不但方便分析过程，而且取得最好的分析结果。 2 6 1 底座模型的建立 有限元分析的本质就是通过模拟物理现象来实现真实状况数值的近似。通过划分分 析对象的网格，计算出这些有限个数值而达到模拟近似实际情况中的无限多个数值。所 以有限元分析的前提是要进行分析必须要建立有限元模型。本文主要采用a n s y s 来进行 液压机底座的仿真分析。a n s y s 提供了几种实体模型和有限元模型的生成方法【2 2 】。 实体模型生成方法： 1 直接在a n s y 软件中创建模型； 济南大学硕士论文 2 从其它c a d 系统中创建然后导入到a n s y s 中。 有限元模型的生成方法： 1 直接建立有限元模型； 2 先建立实体模型然后对实体模型划分网格得到有限元模型； 3 使用其它的软件创建有限元模型，然后把这些节点等数据导入到在a n s y s 软件 中去。 虽然有不同的有限元模型生成方法，但是归根揭底也就是只有两种方法直接生成 方法和间接生成方法，它们也都有各自的优缺点，要根据具体情况确定使用哪种生成方 法，一般来说，比较简单的模型用直接生成方法，比较复杂的模型就用间接生成方法【2 2 1 。 在本文，显而易见，底座的模型结构非常复杂，而且受力情况也比较复杂，a n s y s 中创建这个底座的模型非常麻烦，甚至可以说根本无法创建这个模型，更谈不上直接创 建有限元模型了。所以本文采用s o l i d w o r k sc a d 系统来创建几何模型，然后导入 到专业的网格划分软件h y p e r m e s h 中划分网格，最后导入到a n s y s 中生成有限元 文件。 根据二维工程图，建立三维几何模型，如图2 7 所示。 图2 7 液压机底座几何模型 1 4 济南大学硕士学位论文 2 6 2 网格划分 网格划分是有限分析中最为关键的一步，划分出来的网格直接关系到计算的精度以 及速度，许许多多的c a e 工程师一直致力于追求能够划分出更好质量的网格这一目标。 从某种意义上来讲，网格划分技术含量并不是很高，简单而又重复，但它的的确确又是 有限元分析的基础【2 3 1 。 h y p e r m e s h 就是一个非常好的网格划分软件，可以建立一些复杂的有限元模型和 差分模型，同时它具有能够和许多c a d 和c a e 软件兼容以及高效地划分网格的优点。 h y p e r m e s h 是一个针对主流有限元求解器的有限元前后处理软件，为使用人员提供了 一个比较人性化的可视化交互式操作环境。而且能够很好的进行网格划分以及清理网格 等功能，能够高效地建立一些复杂的有限元模型。同时它还支持c a d 模型和有限元模型 的直接输入输出，减少了那些重复性的工作。h y p e r m e s h 中有一个自动划分网格的模 块，这个模块给用户提供了智能的划分网格方法，而且还在交互式环境中可以对曲面和 边界等进行调整，比如说单元长度的变化趋势、单元密度、划分网格的算法等等【2 4 1 。 将s o l i d w o r k s 中建好的液压机底座模型导入到h y p e r m e s h 中，有限元分析中， 有限元模型同c a d 模型是有不同的。c a d 模型要求表述精确，一些细微的特征是不能忽 略的，而在有限元分析中，模型过于精确会导致计算时间太长。所以有限元分析 需要对模型的一些部件作简化，方便网格的划分和计算分析。同时还有一个问题，不同 系统之间的模型互相导入时往往会出现一些地方的不一致，例如，曲面在导入时会出现 边界错位、间隙、重叠等一系列缺陷，这就直接影响了网格的质量，必然会影响到求解 的精度。因此c a d 系统建立好的模型导入到h y p e i m e s h 中后首先要清理模型，消除一 些缺陷，比如说压缩相邻曲面之间的边界，消除错位等等，以得到更好的模型拓扑关系 【2 8 】 o 当模型的结构比较简单时，划分适合计算的六面体单元就比较轻松，或者可以划 分出绝大部分都是六面体的网格；而如果当结构相对复杂时，划分六面体网格就比较困 难，最好是划分四面体单元。本文中的底座结构相对比较复杂，划分六面体单元网格会 比较困难，而且可能消耗很多时间，即使是能够划分出来，质量也不会太高，导致计算 精度误差较大，所以不适合，最好是采用四面体单元网格。 h y p e r m e s h 中模型的组织管理是通过集合( c o l l e c t o r s ) 来实现的， h y p e r m e s h 中的大部分操作都是在集合中进行的，集合使得h y p e r m e s h 更方便的存 济南大学硕士论文 储和管理有限元模型中里的各个数据，比如说结合、单元、单元属性、单元材料、载荷、 坐标矢量等等。所以在h y p e r m e s h 中划分好网格( 如图2 7 所示) 后，首先要对模型 进行组织和管理 3 4 1 。 2 6 2 求解及其后处理 图2 7 网格划分 从等效应力云图( 图2 8 ) 我们可以看出，底座最大等效应力为1 8 8 m p a ，主要发生 在底座与液压缸接触的上端面以及同丝杠接触的四个下端面区域，前者是因为此处受力 最大，而后者是因为此处有比较强的约束，都小于球墨铸铁的许用应力，底座在最大受 力的情况下的安全系数为1 3 3 ，也就是说底座结构是安全的。同时由图也可以看出该底 座最大位移为0 6 4 1 8 m m ，发生在底座上端与液压缸接触的面上，主要原因是此处附近受 力最大而且结构相对较薄，在此处形成类似悬臂梁的区域。 同时观察应力云图，可以发现底座的结构布局并不是最合理，整个底座可以看成是 由许多肋板组成，一些位置受力并不是很大，非常安全，即有些肋板并没有充分发挥支 撑作用，这也意味着整个底座有非常大的优化空间，所以可以尝试对一些部位进行结构 优化。 1 6 济南大学硕士学位论文 2 7 本章小结 图2 8 底座等效应力云图 本章针对液压机底座部件结构，建立模型( 使用s o l i d w o r k s 软件) ，划分网格( 使 用h y p e r m e s h 软件) ，然后进行有限元分析( 使用a n s y s 软件) ，得到底座受最大压力的 情况下的变形和应力云图。分析过程中结合各个软件的优势，所以分析结果比较准确。 通过分析不仅验证了底座结构能够满足强度要求，而且有非常大的优化空间。 济南大学硕士论文 1 8 济南大学硕士学位论文 第三章四柱式液压试验机底座的优化 根据第二章有限元分析最后的结论发现底座的结构具有优化的潜力，底座结构承受 整个机器的所有受力，因此强度必须足够。从它的结构我们可以看出，它可以看做是由 很多肋板组成的，肋板是必须的原型结构，所以我们去做形状优化。 3 1 结构优化概述 结构优化是机械设计的一部分，是在保证产品达到所要求的性能这一目标同时又满 足限定的约束条件的前提下，对其改变一些参数，实现产品的目标。比如保证强度和刚 度前提下，改变产品的一些设计参数的数值，实现降低产品重量，简化产品结构，从而 实现降低材料成本，方便安装运输等目的【3 6 1 。 结构优化就是将物理模型转化为数学模型，在确保满足刚度、强度等设计要求的前 提下，运用计算机软件等工具，对数学模型进行优化，从而达到设计产品性能良好、结 构简单的目的。结构优化中最常用的方法是有限元法，有限元法是通过对结构相应的研 究来解决复杂问题的方法。目前，这种通过数值计算来实现结构优化的技术已趋于成熟， 在实际产品设计的各个阶段也得到广泛的应用。 在工程设计中，结构优化可以分为拓扑优化、形状优化、尺寸优化三个部分，具体 而言，就是分别确定结构的最优拓扑、最优形状和最优尺寸。三者之间有明显的不同， 也有着不可分割的联系。拓扑优化中，产品结构的尺寸以及形状都是不断变化的，然而 拓扑优化的目标是优化对象结构的初始可行域，优化变量是结构的相关的单元密度，所 以，所以在这个过程中没有必要更新结构的网络模型和几何模型，只需要在整个拓扑优 化过程结束后再进行更新即可；在进行形状优化的过程中，需要在拓扑结构的几何模型 中建立起有限元模型，改变形状参数的同时，几何模型以及有限元模型都会随着形状参 数的变化而变化，所以需要随时进行更新；在尺寸优化时，改变的是结构单元的属性， 即只需要对结构的特定尺寸进行修改，而不改变结构的拓扑和形状，所以，在尺寸优化 的迭代过程中是不需要对结构的拓扑和形状进行更新的【3 7 】。 3 1 1 0 p t i s t r u c t 优化 o p t i s t r u c t 是针对产品的概念设计和精细设计的结构分析和优化软件，是工程分析 骄甬大学坝士论文 蔓曼曼曼量量蔓詈曼曼曼曼量量曼曼量詈烹曼皇! 皇! 舅寰m i 一 一一一i i 曼曼皇曼曼曼曼寡 软件h y p e r w o r k s 系列的一个模块，目前在工程结构优化中己发展相对成熟，并得到广 泛的使用。o p t i s t r u c t 是基于有限元的方法，通过对结构拓扑、形状、尺寸等优化，得 到精确优化的设计结果。o p t i s t r u c t 运用多种不同的贯穿于设计的各个阶段的优化方 法，对静力、模态、进行分析优化，此外，对于存在上百个变量和响应的大模 型亦可进行优化。o p t i s t r u c t 的主要优化计算方法有变密度法和均匀化法。 o p t i s t r u c t 进行优化前，需要在h y p e r m e s h 中进行结构优化的前处理及定义，也 就是说优化第一步是在h y p e r m e s h q b 进行有限元建模、优化变量定义、约束和目标 定义、结构响应定义等，第二步才是在o p t i s t r u c t q b 进行结构的优化，第三步是在 h y p e r m e s h q b 对o p t i s t m c t 的优化结果进行后处理。o p t i s t r u c t 与h y p e r m e s h 实 现无缝连接，从而使上述过程方便快捷【4 4 4 5 1 。 综上所述，运用o p t i s t r u c t 进行结构优化主要分为以下几个步骤【4 6 】： 1 在h y p e r m e s h 中进行前处理、输入文件； ( 1 ) 创建有限元模型 ( 2 ) 优化参数定义， a 、定义优化变量 b 、定义结构响应 c 、定义约束和目标 2 在o p t i s t r u c t 中进行优化计算； 3 在h y p e r m e s h 中进行后处理及结果的验证。 2 0 济南大学硕士学位论文 图3 1o p t i s t r u c t 结构优化流程 3 1 2 形状优化和o p t i s t r u c t 形状优化流程 形状优化是在板型结构里寻找最为合理的加强筋的分布，是一种形状最优化的优化 方法，也是一种概念设计方法，主要用在薄壁结构中，能在减轻重量的前提下有满足多 方面的设计要求。形状优化步骤简单，仅需定义加强筋的起肋角、最大高度和设计区域， 当然加工型性也是要考虑的。系统提供多种加强肋的布置方法。优化后的结果可以用 o s s m o o t h i 具产生的数据输入至u c a d 软件中，进行二次设计。 o p t i s t r u c t 形状优化流程如图3 2 所示【4 6 】 2 1 一 济南大学硕士论文 图3 2o p t i s t r u c t 形状优化流程图 3 2 液压试验机底座形状优化 根据上面对底座的分析，得到了底座的受力分布状况，为使得底座在满足刚度的条 件