（机械电子工程专业论文）闭式压力机机身动力学分析与仿真.pdf

摘要 闭式压力机机身动力学分析与仿真 摘要 举文应心a n s y s 稍il s - d y n a 对j f 7 5 g 一1 2 5 a 型高速甩力机闭式组合机身进行了有限 元静、动态分辑与仿囊，遁过试嬷验证7 所建有限廷摸型的花确性，提出骚摄寿寨艿迸嚣了 动态仿真，棱验减震器的减震效粟。 首先分昕了削式压力机组合机身的绵构及受力特点，引入a n s y s 单元席中的实体单元 建立? 掇隽憨存袈元援疆，采捌接疆单元摸摄缀台撬隽嚣f ，| ：之离鹃搂艇墓，粟耀螺拴擎嚣摸 拟组合机身中拉什的预紧力怍川。对机身的预紧状态和中心载荷 ：作状态进行了静态分 斤 得划了机身的变形培自l 膨力分布状况；采心l a n c z o s 法计算了组合机身的前：阶模态，分折 了轰涂壤态对疆力橇氍身前彩嚷。为祝身麓振动势辑握洪? 依据霉l 参考。 柱静态分断手 ；模态分昕的婪础上首次成功建立了刚式腰力机组台帆身r 动态响意分 析鼢胬裂元摸爱，分辑了娜式魇力枫组台搬身盘典型强兄f 的动态响成。考感劁预紧力对机 身动恋响应的影响，修改模犁弗采用略式一显式序列求解方法对祝身的空转l ：况平| i 打桩i ：况 的动态响戍逃行了计辫。通过对机身庄这两种l ：况卜各部什的响应信号的测试，所得试验数 据与番疆元谤葬缝鬃摆魄含。酸诞了摸黎豹可褰性。 膨上述模掣重点分忻了蕊力机住尊次冲裁和连续冲裁条p l ：f 机身的变形与席力响席， 定域地确定了连续冲裁条p | ：f 能姑积累导效麻力增缱。针耐冲哉j ：况在闭式压力机的液振 袭诗串成功琏l 入隧嚣减震器，存效缝捧澍了橇羹农菜些筵攘额睾蠢辩运鹃纛功晌应，连一 步提高了机身的再项性能，减少了机身艇i ：作状况卜受迫振动稠i 白激振动对加l ：精度的影 响。 关键调：组台机身、1 ；j c 感分折，a n s y s l s - d y n a ，动态响戍分析，冲裁、减艘器 东南人学顾j ：举位论文 d y n a m i ca n a l y s i sa n d s i m u l a t i o no f c l o s ec o m b i ne dp t e s sf r a m e a b s t r a c t b yt h e 燃eo fs t r u c t u r a la n a l y s i ss o f , a r e - - a n s y sa n dl s d y n a s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na l ep r e s e n t e dt oc l o s ec o m b i n e df r a m eo ft h ej f 7 5 g * 1 2 5 a p r e s si nt h i st h e s i s i no r d e rt ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo f t h ef i n i t ed e m e n tm o d e l ，at e s ti sc a r r i e do u t 。 v i b r a t i o ni s o l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，a n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f t h es y s t e mi su s e dt ot e s t i 母 t h ee f f e c to f t h ev i b r a t i o ni s o l a t o r f i r s t l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r u c t u r ea n dt h ef o i c eo f t h ec l o s ec o m b i n e df r a m ea r ea n a l y z e d t i l em o d e io f t h ef r a m ei se s t a b l i s h e db yt h ea p p l i c a t i o no fs o l i de l e m e n to f a n s y s t h ec o n 乜c t s u r f a c eb e t w e e n 幽ef r a m ep a r t sa 糟s i m u l a t e dw i t hs u r f a c e - t o - s u r f a c ec o n t a c t p r e t e n s i o no f c l o s e c o m b i n e df r a m ei ss i m u l a t e dw i t hp r e s t l 7 9e l e m e n t t h ed i s t r i b u t i o no f t h ef l a m es t r e s sa n dt h e d e f o r m a t i o na r ea c c u r a t e l yc a l c u l a t e d i nm o 血ia n a l y s i s i no r d e rt or e s e a r c ht h ee f f e c t0 1 1 e q u i p m e n to fe a c hm o d a l i t y0 nt h ef r a m e , t h el a n c z o sm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ef i r s tt h r e e m o d a l i t i e s t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e io ft h ef r a m ei sb u i l t u pt oc a l c u l a t e t h ed y n a m i cr e s p o n s e f i r s t b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ev i b r a t i o no fc l o s ec o m b i n e df r a m ei sa n a l y z e dd u r i n gt y p i c a lw o r k c o n d i t i o n t a k i n gp r e t i g h t e n i n gl o a di n t oa c c o u n t ，t h em o d e lw h i c he s t a b l i s h e db e f o r ei sm o d i f i e d ， a n dt h ed y n a m i cr e s p o 批a r ea n a l y z e dd u r i n gl o s tm o t i o na n dp i l e d r i v i n gw i t ha p p l y i n g i m p l i c i t - t o - e x p l i c i ts e q u e n t i a ls o l u t i o n f h et e s t e dr e s u l t so ft h ef r a m ea c c e l e r a t i o nc o i n c i d ew i t h c a l c u l a t e 秘豫d y n a n a i cr e s p o n s eo ft h ef r a n l ed u r i n gb l a n k i n gi sa n a l y z e di nd e t a i l s t r e s sa n dd e f o r m r e s p o n s ed u r i n gt h eo p e r a t i o np r o c e s so fp r e s sa r ei n v e s t i g a t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fb o t hs i n g l e a n dc o n t i n u e sp u n c hi m p a c tp r o c e s s t h er e s u l to fi n c r e m e n to fs t r e s sc a u s i n gb ye n e r g y a c c u m u l a t e si nc o n t i n u o u sp u n c hp r o c e s sl so b t a i n e da c c u r a t e l y nn u m e r i c a lf o 蝴。as h o c k a b s o r b e rw a ss u c c e s s f u l i yu s e dt or e d u c et h es t r u c t u r ev i b r a t i o na ts o m er e s o n a n c ef r e q u e n c i e s d u r i n gb l a n k i n g ，a n dt h es a t i s f yr e s u l t sw e r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：c l o s ec o m b i n e df r a m e 、m o d a la n a l y s i s ，a n s y s l s - d y n a 、v i b r a t i o n ，b l a n k i n g 、 s h o c ka b s o r b e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除了文中特制加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其缝人已经发表或撰写过的褥究成聚，也不瓤岔为获褥末摩大学或其它教育飘掏 的学位或证粥而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文孛镎7 明酸熬谩筏势表示y 滚意。 研究生签名：! 巡鄹期：地z 兰：塑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中圜科学技术信息研究所、凰家图书馆有权 5 i 留本人所送交学位 论文的复印件和电予文档，讨以采用影印、缩印或麓他复制手段傈稃论文。率入 电予文蹬的内容积纸质论文麴内容槌一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 蕤弱登) 援投东悫穴学臻交生茨办毽。 研究生签名：熬壁导师签名：e t 期：丝2 ：墨当 第一章绪论 1 1 研究背景及课题来源 第一章绪论 锻压机械是机械i ：业中的基本l 作母机之一在工业生产中i i 有极其重要的地位。随着 我国经济高速增长和市场的迅速发展，汽下及其配件、家h j 电器、石油化工、电力致备、仪 器仪表、机械制造、计算机、建筑等行业在发展过稃中人鼙需求锻压机械。锻压生产在i = 业中- i 有重要的地位，采川锻压i ：艺生产的l ：什具有效率高、质颦好、重量轻平成本低锋特 点。目前先进l ：业国家锻压设备所i 的比重均在全部机床拥有鼙的3 0 以上，锻压设备的水 平、拥有姑和构成比不仅对锻乐生产起着关键作h j ，而且在一定程度上还标忐着一个国家机 械制造i ：业的技术水平 2 1 。锻压机械住机床中，i i 有相当人的比重，鲥式曲柄压力机是锻压生 产中应h j 最广泛的设备之一在现代 业生产中曲柄压力机担当着重要的角色 随着现代科学技术的发展人吨位、高进度、高设率、高精度、高柔性是现代锻压机械 最重要的发展趋势川【4 i 。但由此带米的振动以及哄卢已成为束缚压力机发展的桎梏。然而t 目前在曲柄压力机的设计与改础的过程中，人多数仍然采川传统的经验设计和类比的方法- 计算结果常常与实测值相差其远，而且还伴随着振动与噪卢问题传统的设计方法已经跟不 上时代的要求。由丁_ 曲柄压力机在不同转速和ll 作情况f 会山现不同的麻力分布与变形形 态，要求设计者使h j 最佳的结构，使压力机在载荷作用卜山现最小的变形与保持最稳定的t = 作状态。然而在设计过科中，分析设计结构住1 ：作过程中的特性，一直是斟扰设计人员的难 题。冈为压力机复杂的形状与不平衡的质鼙分布使其住承受高强度冲击载荷时利川传统的 理论计算雄以得剑变形与稳定性的结果，常常采h | 的方法是制作样机并进行测试，根据测试 结果调整设计方案。这样做有两个明显的缺陷：制造周期长、费h j 花费巨人以及模型与实际 压力机之间的相似性难以保证1 5 1 随着c a d c a m c a e 技术的日益普及和庵川，有限元方 法等现代结构分析方法己为f ：栏技术人员广为认识丰使_ 【i ，它可以解决上述难题。有限元的 方法r 泛应h j 取得了显并的技术经济效j ；f 利用c a e 技术进行产品的动静态分析、验证、 调牾和优化产品结构，已成为提升我国制造业璋4 体实力的当务之急。这样才能进一步缩短设 计周期，降低制造成本，提高产品的质鼙和可靠性，更好地适应市场的变化，增强企业的实 力。本课题结合徐州锻压机床厂的j f 7 5 g 1 2 5 型高速压力机改造项目，采h j 有限元分析模拟 的方法对压力机进行了动力学性能的研究为产品的设计丰试验提供了依据和指导。 1 2 压力机机身结构分析的发展现状 机身是压力机的重要组成部分，它不仅是其土要零例：的装配基体，而且还要承受机器的 全部i 作载荷( 某些f 传动压力机除外) ，机身的承载能力和变形人小及其动态性能将直接影 响产品的精度及模具的使川寿命i 。j 。 早删人们对机身的研究是采h j 材料力学的方法计算出设备在公称压力f 危险点的应力 莆i 机身虽人变形，再引入许h j 应力币i 许h j 变形，使其应力和变形低丁 设备许川应力和许h j 变 形即可。 k 期以来机械敬计一直沿川经验类比的设计方法。这种传统的设计方法的设计过样可 以概括为“设计一评价一一再设计”的过拌既先根据掌握的各种基础币i 专业知识，针对设 东南人学硎l j 学位论文 计任务及要求进行凋卉研究和i 收集有犬资料参照以有的相同或类似的任务、现有的或己完 成的较为成熟的殴计方案，凭借设计者的实际经验，辅以必要的分析计算，确定一个合适的 设计方案并通过f 占箅，初步确定有关参数：然后对初定方案进行必要的分析计算及校核计 算：如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改、设计参数的调铑，并再一次 分析及授核计算；如此多次反复，直剑得剑白认为是满意的设计方案为i “”。 显然，这种传统的殴计过样是人。l ：试凑与类比分析的过程，主要有两个缺点：一是转个 设计过程很繁杂，。l ：作簧人，效率低，设计周期& ：二是设计方案的好坏报人程度上取决丁 设计者的水平和经验累积，且初始方案对最终方案的经济性和合理性影响报人往往缺少人 力和时间左进行多方窠的对比只限丁j 少数几个侯选方案中进行分析雨i 比较冈此实际采h j 的方案井计是虽好方案。这种设计方法从本世纪初一直沿h j 到现在。由于这种方法不需要引 进先进的设备，所以国内外绝人部分的压力机生产企业都使心这种方法。但是材料力学的研 究的对象土要是横截面尺寸远小于轴线长度的杆什，往往采埘了一些戈丁变形的近似假殴 如平面假殴等，近似的求得所研究轩什在外力作h 。f 的席力和变形，最币再加入许多人为的 经验才能满足i ：拌要求。将机身简化为材料力学中的杆什或杆什组合，其计算结果可靠性低， 很难说明问题。设计者为了保险，往往加火安全系数结果使得设备1 f 常笨重既增加了成 本，又浪费了原材料。在此基础上的优化，也不过是局部平近似的优化而已p h 在l ：样中更常见的不是杆什而是形状1 | 常复杂的结构，很难h 材料力学的方法米研究。 机器中有报多零中i = 截面尺寸经常变化，如轴肩、切槽和油孔等。在这些截面上，实际应力与 材料力学公式计算的结果相差很人。弹性力学研究的是理想弹性体在外力作川。f 的变形与应 力。它所研究的变形从儿何形状来说比较j 泛，并不局限下杆，由丁经典弹性力学的要求比 较严格，以至于许多实际问题_ j 经典弹性力学难以求解。而有限元法是对弹性力学的补充， 弥补了经典弹性力学的不足，在机床绡构力学方面得剑j “泛的麻川。 有限元法实际上是占典变分法的一种变体币i 发展，其基本思想离敌化的观点，早在 二十世纪四十年代就己经提出来了。到了五十年代初，英国的一个航空系教授5 口占里斯 ( a r g y s i s ) 和l 他的合作者打破了十年沉默的局面，使有限元成功地戍_ l j 丁结构分析问题。与此 同时，美国敦授克劳丈( r w c l o u g h ) ：i 三角形单元对e 机结构进行计算并在1 9 6 0 年首 先提山了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在国际上蓬勃发展的十年。六十年代 中、后期，数学家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚强的数学基础。1 9 6 5 年英国教授辛克维茨( o c z i e n k i e w i c z ) 及其合作者提山了有限元法可麻川丁所有场的问题。 有限元法首先应h | 丁i 航空l ：氍。由丁- 其方法的有效性，迅速铍推广应川丁造船、机械、动力、 建筑帮l 核千等l ：群部l 】。并从州体力学领域扩展剑流体力学、传热学、电磁学、卢学和振动 学等领域，f = 伴随高速数字电子计算机的发展平ij 有限元理论的研究得剑迅速发展j 1 2 1 0 锻压机械的静态有限元分析土要是从上个t h = 纪七十年代开始的，我国具有代表性的文章 是文献【1 3 1 土要是根据j 2 3 8 0 删压力机机身左、r 部分的受力简图，利_ l i j 平面问题的有限元 样序计算出齐单元仃点的位移与廊力，升求山机身的线刚度币j 角刚度，与实测利材料力学的 计算值进行比较验证。随j 亓这方面的研究逐渐增多，领域不断扩人j l l 深入。王留德是利 臼 编的空间扳系通州程序s p s 对闭式4 0 吨数控同转头压力机机身进行计算，并把计算结果与 实测结果进行了比较井找山存在误筹原冈i l “。李明典等h | 有限元法分析了锤杆在对中平偏 心载荷作_ h jf 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戍力分布的影响， 为锤杆的改进设计提供有川的理论依据”。千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i l “。千苏安等针对某厂2 5 吨曲柄迮杆式e 剪机机架使 h 中存在的问题采h ja l g o r 软p i ：对e 剪机机架进行了有限元分析平强度研究，得山了b 剪机机架的麻力、应变分布，找出了薄弱环竹，井廊刖电阻戍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。井对e 剪机架提山了改进措施对改进后的机架义进行了有 2 第一章绪论 限元分析。实践证明通过改进的曲柄迮杆式e 剪机架其性能比以前更好l 。李陪武等以 1 5 3 1 6 0 0 型舣 ；| = 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 强度和刚应的影响，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i l “。史宝 军、管延锦锋对压力机的强度平i 恫0 度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采刚了许多 措施使机身的结构更合理【1 9 1 1 2 0 l 。史宝军等主要对j 2 1 1 6 0 型开式压力机机身进行有限元分 析霸j 结构优选，取得了既减轻重量义提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元 分析己从原来的麻力和变形分析走向结构的静态优化1 2 “。 锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的，主要集中在开式压力机和螺旋压 力机1 2 2 i - 1 3 1j ，其中文献1 2 2 是较早的一篇，文章主要对1 2 3 8 0 型开式压力机机身进行有限元 剖析，并用w i l s o n e 法得山机身主截面的动应力年| i 机身动态角变形，均比静态大2 5 左右。 到九十年代随着数值模拟技术的引入，锻压机械动态有限元应h 的j “度币1 深度不断增加 接着李德军等以j 5 3 1 6 0 0 型烈盘胯擦压力机为对象建立机身有限元模喇并将理论模态 分析结果与模态试验结果进行比较，还模拟计算了冷击、锻击情况卜i 压力机的振动响应为 序撩压力机的动态设计提供一定的参考。对闭式组合机身研究的文章有文献【3i 】，文章利h i m a r c 软件对闭式机身进行了三维有限元分析，并将计算结果与实测值进行比较，同时对 机身进行了优化，提出了改进方案。展后还州l a n c m s 方法计算了机身的前十阶模态，分析 了备阶模态对设备的影响，义对机身进行了进一步的优化，使机身的动态特性得剑进一步的 提高，为高速压力机的动态设计提供了1 | 常有h 】的资料。 综上分析可知，随着控制技术的提高，锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻越化 的方向发展，压力机机身设计从材料力学的机身危险点应力和机身虽大变形的校核，到有限 元法的使h j 币i 数值模拟技术的引入对其进行模态分析年i 恸态响应分析，使机身的设计水平有 很人的提高，取得了可喜的成绩，但是存在以卜的问题： i ) 对机身静态研究的比较多，对动态研究的比较少； 2 ) 对低速设备研究的比较多。对高速设备研究的比较少； 3 ) 对整体机身研究的比较多，对组合机身研究的比较少； 4 ) 只注重研究。不注重应朋。特别是如何应_ h j 有限元法羽i 数值模拟技术设计机身方面。 3 本课题研究的目的和意义 1 3 1 本课题研究的目的 近年来由丁我国国【经济的e 速发展，各行各业对压力机的需求越来越多，国内国际 市场竞争1 f 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，研究的方向不但在机身上，而且己转移剑帮个压力机装配上，在研究的手段上不仅有计 算机仿真。而且应h j 了许多有效的实验模拟裂置。我国压力机的分析水平还不高，k 删以来 还停留在材料力学的方法上，这样就可能导致机身过丁笨重、关键部位强度、刚度不足以及 不能进行动态特征的计算笛缺陷。随着电子技术、计算机技术与机床分析设计技术的结合， 要求我l l j 目l 入现代设计理念与手段，利州有限元法进行静态、动态特征的计算，对高速压力 机闭式组合机身作全面的校核。同时对高述压力机 j 】式组合机身在实际i ：作情况下的状态 进行仿真分析，实现真止意义上的设计只有这样才能提高我国机床的产品质量利国际竞 争力，推动我国的吣族【：业生产。 东南人学顾 ：学位论文 1 3 2 本课题研究的理论意义和工程意义 随着现代 业的发展压力机滑块行挫次数提高很快对加1 二j t = 件的质鼋要求很高，压 力机机身在实际t 作过程中的动态特性越米越受人f j 关注，如何利用有限元方法仿真压力机 丁= 作过程的动态响应成为解决问题的关键。目前我国已经着手这方面的研究，文献f 5 】和 文献 3 2 1 都对开式机身进行了动态响应分析。由丁闭式组合机身结构相对复杂，并存在预应 力，更造成了有限元模型建立的凼难。所以目前国内对高速压力机闭式组合机身的仿真分析， 还处于静态分析阶段，对动态分析也只涉猎于模态分析而在实际t ：作过程中机身的动态特 性与静态分析有很人不同。本文成功的解决了上述难题，并通过实验证明了模型的可靠性。 本文所作的研究填补了国内在高速压力机 j j 式组合机身仿真分析方面的空向，对提高压 力机的打击次数、动态性能和加1 ：l ：1 ，| = 质颦、延k 模具寿命都有1 f 常重要的指导意义。 1 4 本课题的主要研究内容 课题采川有限元分析软件a n s y s 和l s d y n a 作为分析l ：具，对高速压力机 j f 7 5 g - 1 2 5 a 的机身进行有限元静态、动态特性分析，主要内存包括以f 几个方面： 1 ) 通过对压力机的有限元计算，分析了压力机机身的静态特性，即戍力和变形分忻， 分析压力机的乖直刚度找出机身在静态r 的薄弱环节。 2 ) 对压力机进行了模态分析分析卉| 有模态压力机的影响，找山在动态情况下机身的 薄弱结构。 3 ) 机身在空载、打桩f ：况卜的动态响应计算通过实验验证了所建模性的止确性。 4 ) 研究压力机在单次与连续打击条仆下机身的变形与戍力响戍，定量获得了连续打击 条件下能龉累积导致的应力增加餐。 5 ) 对机身的冲裁l 况进行积极隔振，仿真其减振效果。 4 第二章闭止卅j j 扫l o l 身的静态特性分析 第二章闭式压力机机身的静态特性分析 2 1 机身简介 机身是曲柄压力机的一个基本部什，它是压力机中使川金属材料最多结构最复杂、制 造f ：作苗最人的部什， ：作时要承受全部l ：作变形力，因此，该部什的设计质譬对 擘 个刚式 压力机的i ：作性能有着毕足轻重的影响，对机身一l ：作中的典型- l = 况进行仿真分析从而实现轻 量化、展优化设计是机身设计的关键。 压力机的机身结构形式可分为两人类型：即开式机身和闭式机身。前者二面敞开，操作 方便，但刚度较著，适h | 丁中小型压力机：j 亓者两侧封闭，刚度较好但操作不如开式的方 便，适h 丁_ 人中型压力机及某些精度要求较高的小型压力机。 开式机身有较人喉深，可冲压较人零件。开式机身常见类型如图2 1 所示。按机身背部 有无开口可分为权梓机身( 如l 璺| 中a ) 单丰丰机身( 如图中b 、c ) 。按机身的r 作台可否移动分 为州定台( 如幽中b ) 币j 活动台( 如j 鳘i 中c ) 。此外尚分杜形台、转动台等。 氧晶岛 a ) a ) 双柱町倾机身 b ) 幽2 i 开式机身类型 b ) 单柱州定杆目【身 囱 l c ) c ) 单柱活动机身 每 j 卜h j l 0 是劣 a )b ) 翻2 - 2 闭式机身类型 a ) 整体式 b ) 身l 台式 闭式机身又分为整体式、组合式，常见类删如| 圣j2 2 所示。璋瞽体式机身( 如| 笙| 中a ) 加 j ：装配l ：作域较少，但需要人型加i ：设备，运输也较凼难。组合式机身( 如酗中b ) 是由拉 5 东南人学颂l 学位论文 紧螺栓将横粱、立枉、底座三部分牢同地联接起来，构成一个完整机身。与绍体机身相比组 合机身不仅可使压力机的承载能力提高而且还具有结构紧凑、刚度人、重苗轻、制造容易 等特点，使得组合机身受剑人们越来越多的青睐1 6 1 。 本文所分析的j f 7 5 g 1 2 5 型压力机即属丁i 此类范畴，它由底座、左右立柱、上下横粱、 工作台、滑块、配重块和曲轴等主要部件组成其主要技术参数如下： 公称力：1 2 5 0 k n 公称力行程：3 r a m 滑块行程：3 0 r a m 滑块行程次数：2 0 0 , - 4 0 0 次，分钟 虽人袈模高度：3 8 0 m m 装模高度调1 1 量：5 0 m m 2 2 组合机身的受力分析 2 2 1 组合机身的受力分析 一般压力机闭式组合机身是典型的预应力结构，由横梁、左右立牲平l ：作台及底座组成。 由丁压力机在i ：作时，横粱、底库平i l 立柱之间不得产生间隙平错移，为此必须给拉紧螺栓以 预紧力，使机身受压有一定的顶压缩茸。而拉紧螺栓相应受拉有一定的伸欧衬。当：作 时机身的预压缩簧减小，螺栓进一步伸k 。当【作压力增剑虽人时，则立梓的变形颦虽小。 普通的闭式组合机身，由丁横梁和i 底库相对丁立杜和拉紧螺栓的截面尺寸人很多，往往 忽略横粱和i 立柱的变形，对r 机身的变形只考虑立柱变形，拉紧螺栓看作是单向拉伸，在弹 性范嗣内，拉紧螺栓乖i 立柱的受力和l 变形都是线性变形，可以得剑传统的拉紧螺栓与立柱的 载荷变形| 茎i ，如幽2 3 所示。 口 么 一一一。 毛7 卜 l； 丛l 焉i ， 幽2 - 3 蝶栓和扛柱的力变形蚓 安装时的预紧力为毋，此时拉紧螺栓伸k 量为山，立杜压缩鼙为如机身受剑公称压力乓 作刚时，拉紧螺栓除承受立柱给它的反作川力( 即立柱的残余预紧力) 以外。又多加了一公 称压力巳- 所以此时螺栓受力从尸增加到尸( 指全部螺栓受力) 而立杜受力从b 减为只( 只 为残余预紧力) 1 6 1 由l 芏| 2 1 可知 卑= 乓+ ( 2 i ) 此时相应的变形鼙螺栓从山变为k 。( 即山+ 4 2 ) ，立拄从 z 变为i h 。( e p 2 口毅) 。 若将l ：作压力增至z ( z 称为预紧系数) ，则立柱的变形鼙变为零，既切。= 0 五。一乃= 五 ( 2 2 ) 6 第一二市闭止k 力机机身的静态特性分析 根据虎克定律 。器= z e , c , 式中 c ：l j e | n 矗 同理 元= g c , 五= 只c z c ，：生 易也e 把上述请式代入式( 2 1 ) 得 z e f , 一p v c t = p s ： p ：盟 1 c t + c z 式( 2 9 ) 、( 2 4 ) 及( 2 7 ) 中 l l 、l z 一拉紧螺栓和立柱k 度； e l 、e z 一拉紧螺栓和立梓弹性模量： “l 、r l z 一拉紧螺栓和立柱数目； ， f i 、f z 一拉紧螺栓和立牲截面积； c i 、c z 一拉紧螺栓和立桂在单位力作圳下的变形； 2 2 2 预紧力施加 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 为防j e 压力机i ：作时组合机身的结合面间山现间隙，安装机身时必须给压力机一定的预 应力。一般采州以f 两种方法：( 1 ) 热装法。将拉紧螺栓加热剑一定温度，使其伸k 适当艮 度然后拧紧预紧螺母拉紧螺栓冷却后机身即被预紧。( 2 ) 液压装置冷拉法。利川液压 装置拉伸拉紧螺栓，然后在螺母卜面垫一定高度的垫片，这样在液压卸荷后，同样达剑预紧 机身的日的。本文所分析压力机机身采用方法2 预紧。 2 3 建模方法的选择 在进行有限元分析之前，建立分析对象结构的有限元模型是有限元分析的第一步，模型 生成的目的是建立能够真实反映实际i ：样原刑行为特征的数学模型。 在a n s y s 、n a s t r a n 等有限元分析软1 ，j ：中建立结构的有限元模型一般有以f j l 种方 法：直接使川分析软什提供的建模模块采h j 白项向f 或白底向上的方法建模；或者通过这些 7 东南人学顾l ：学位论义 分析软什提供的接口，把专业c a d 软件生成的二维实体模型转换为结构有限元模璎；在专 业的前处理软什中生成结构有限元模型，通过前处理软什与该分析软1 1 ：的接口，把结构的有 限元模喇直接导入。 a n s y s 软件虽然本身具有建模及网格划分功能，但其功能与专业的c a d 软什和前处 理软件下相比相对简单。对一些简单实体而言，可以直接建立有限元模型，但对于组合机身 这样复杂的结构，建模时操作十分繁琐，必须进行人鼙的简化才能够进行，且网格的质餐无 法预料，模型能否反映实际结构难以保证。由于c a d 系统有很强的建模功能，操作更为方 便、灵活。h y p e r m e s h 设置了与多种c a d 软1 ，i ：如p r o e ，u g s o l i d w o r k 等的数据交 换接口，通过这个接口，可以模型直接传入h y p e r m e s h 中然_ l 亓进行网格划分( 3 3 1 该种方 法适h j 于一些复杂的三维实体模型。闪此对丁像压力机这类问题一般采f j 第三种方法，这 里采川c a d 软什s o l i d w o r k 建立机身的零、部什和机身的三维实体模型，前处理软件 h y p e r m e s h 对机身进行网格划分及加载，仅将a n s y s 作为求解器。 2 4 机身实体模型的建立 采h js o l i d w o r k 2 0 0 3 软什建立零、部件平ij 机身的c a d 三维实体模型。c a d 模型是几何 模型，要对它进行动、静力学模拟仿真计算，必须将其先转换为c a e 模型。目前将专业c a d 软仆生成的三维实体模型转换为c a e 模喇还存在很多问题，许多复杂模型的直接传递会产 生c a e 模型无法生成的问题，因此必须对建立的结构c a d 模型进行适当简化莆l 修改，其 基本原则为： 1 ) 在c a d 造型时力求精确，以真实反映结构的动、静态特性： 2 ) 对丁明显不会影响机身整体强度、刚度的部位，如倒角、倒圆、螺钉孔以及凸台等 予以简化； 3 ) 对c a d 模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化处理： 4 ) 不考虑对机身动、静态特性影响小的零、部什结构。 这些简化和修改的目的是为了避免小特征币l 小结构什在进行有限元划分时，产生人量的 有限元单元，加人计算机的计算时间；并且小特征的会造成网格质龉f 降，影响结构的分析 精度n ”1 。根据以上原则建立的压力机机身c a d 模型如| 茎l2 4 所示。 幽2 4 闭式k 力机机身的c a d 模型 8 第一二章闭a 雕山机机身的静态特性分析 2 5 机身有限元模型的建立 该压力机机身的上横梁与左，右立柱为a 3 钢板的焊接结构，底座与下横梁为铸造结构。 为了进行有限元分析，必须对实体模耻进行改造，使之成为许多微小单元和节点的组合，这 样的模型称为有限元模型，其建立包括定义单元属性、划分网格生成单元及添加边界条什等 步骤。 2 5 1 单元的选择 1 实体单元 在以往的压力机机身的分析中，认为机身土要是由板、壳单元组成，在受力上基本是承 受拉压乖i 弯曲两种状态。冈此选h j 有限元中的梁、壳单元来描述机身的结构”。又由机身 的底座、下横梁其箨部分是不等厚的，因此即使选择同一单元时，也必须改置不同的实常数 来定义板峥、梁单元的截面尺寸、转动惯苗蔷参数若设置参数较少必然会对结构作较大 的简化：若参数设置较多，又给网格的划分增加了计算鲑和复杂样度。同时，由丁- 扳、粱等 不同单元的1 y 点臼由度数是不相同的，依次必须考虑不同类型单元之间迕接时位移的迕续性 问题，必须使不同的单元接触结构的变形协调，为此需人1 ：调整。若人j 干预太大，会引起 单元畸变，冈此，川板、梁等单元建立的有限元计算模耻，必会带来一定的计算误差。由有 限元理论知圳三维实体单元米描述机身结构，更能反映机身的实际情况。 考虑剑机身模犁的复杂性，平衡计算精度币i 计算时间的要求，在建立机身平部件的有限 元模能时人量使川了实体单元s o l i d i 8 5 ，它是构造机身模删的主要实体单元。 s o l i d i 8 5 单元可以川丁三维实体的建模为一具有8 个肖点的单元，通常情况下为六面 体，也可以退化为金字塔形和四边形，是三维l 卉i 体力学有限元分析中较为简单的一种单元， 如i 生| 2 5 所示。该单元每个i j 点沿其坐标方向x 、y 、z 共有三个平移自由度，可以州来进行 塑性、超弹性、压力硬化、蠕变形和人变形分析。虽然相对于具有二十个讧点的高阶单元 s o l i d 9 5 其计算精度较低，但是对丁二一些复杂结构系统的有限元建模，由于其划分单元后节 点个数相对较少即朱知白由度数少，因此分析计算效率较高。并且对于同一个结构的多个 方案有限元模型进行分析比较，计算结果的绝对误差并不是问题的主要矛盾，因此为了提高 整机分析计算的效率，实体建模采川该六面体单元。 l 曲砷c o o t a a 椭一 幽2 - 5a n s y s 的s o l i d i 8 5 单元 9 帅 u m 孥嗲 东南人学颂l ：学位论文 2 螺栓单元 拉紧螺栓作为机身的弹性约求对结构的变形和i 麻力影响很人，在计算中必须予以考虑。 a n s y s 提供了专fj 的预紧单元p r e t s l 7 9 。川丁此类预紧载荷问题的分析p ”。本文以实体 单元对拉紧螺栓和l 螺母进行离散在实体间插入预紧单元p r e t s l 7 9 并施加预紧载荷，这样 预紧力可由拉紧螵栓通过预紧螺母准确地施加到机身上。 3 质茸单元 对丁压力机上的其它部件，如曲轴、飞轮、滑块和电机等均视为集中质量，选取质鼍单 元m a s s 2 1 。m a s s 2 1 单元是一个具有六个白由度的点单元，六个自由度为+ 仃点x 、y 、z 方向 的平移和绕x 、y 、z 轴的转动。在该单元实常数i 殳定中，可以设定各个坐标方向不同的质量 和转动惯域。在机身有限元建模中分别把电机平传动系统简化为两个m a s s 2 1 单元。 4 接触单元 在闭式压力机组合机身中存在着若干结合面，在结合面的建模中将接触表面中的间隙 处理为虚拟的接触单元，这样两个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人面积接触的特点。 在结合面接触问题中，大多数接触分为两种类删：刚体一柔体的接触，柔体一柔体的接 触。一般情况f ，一种软材料雨i 一种硬材料接触时，问题可以铍假定为刚体一柔体的接触。 而柔体一柔体的接触，是一种更* 遍的类型在这种情况下，两个接触体都是变形体( 有近 似的刚度) 。对丁：这种情况，可以将域物体接触面之间的接触单元相互定义，以保证二者的 位移模式相同。 通常情况f 人多数接触问题可以分为：点一点接触、点一面接触、面一面接触。a n s y s 提供不同的接触单元米模拟不同的接触方式。在接触问题建模时，首先必须认识剑模型中的 哪些部分可能会相互接触。对丁组合机身的接触问题由丁其模耻的复杂性难以保证其结 合面间的仃点一一对戍，故采川采h 面一面接触来处理。 a n s y s 单元库提供的接触单元c o n t a c t l 7 3 可以模拟接触面之间的接触分开状态交 互变换的单元本文将这种单元应川剑组合机身再部什结合面的建模中p 1 4 1 1 。 2 5 2 单元的划分 幽2 - 6 闭式组l 台机身的自限兀模型 单元的划分应遵循。均匀应力区粗划，应力梯废人的区域细划”的原则具体到机身上 0 第二章闭- 胨j j 机机身的静态特性分析 网格细划的位置是：曲轴安装孔、轴承、底库与立棒螺钉联接处以及地脚螺栓连接等部位： 网格粗划的位苴是：横粱、立柱前后侧扳的绝人部分及其内部的连接筋板等部位。 一般来说，单元划分得越细计算精度就越高但单元划分存在一条收敛曲线，过细对计 算的精度贡献不大同时造成计算簟的增加。本文在h y p e r m e s h 中划分单元时，采h j 的单 元大小为1 0 0 r a m ，细划部位采川的单元人小为3 0 - - 5 0 r a m 经过单元划分后，晟终得剑机身 有限元模弛共有2 4 万s o l i d l 8 5 单元、2 个m a s s 2 l 单元、4 个p r e t s l 7 9 单元。机身有限元模 型如幽2 - 6 所示 2 5 3 边界约束的施加 本设备的公称压力是1 2 5 0 k n ，拉紧螺栓的预紧系数为2 郎四个拉紧螺栓每个的预紧 力为6 2 5k n 分析其应力和变形时，取公称压力和拉紧螺拴的预紧力为机身的外载荷。该 压力机在在r 作时承受两个方向的载荷，一个是作h 住士轴安装孔上，即轴承位置，方向向 上：另一个是作川在l ：作台上，方向向t r 。两者人小相等，方向相反。主轴作川位置的作用 力和l ：i ：作台上的载荷分别以点载荷和均布载荷的形式作_ 【i j 丁机身上。 j f 7 5 g 1 2 5 a 豫州式压力机的底庳通过地脚螺钉与基础相连，同时安装时姆户还要设 置防f h 殴施，故将地脚螺钉处的侈点使川6 个白由度全部位移予以约束，同时将底座处的z 向加以约束这样既符合实际的i ：作情况，还满足了约求的原则。 2 5 4 材料特性的施加 机身各个部件的材料是不一样的，上横梁和左右立梓为a 3 钢板焊接件t 在一l ：作时其变 形是弹性变形，井忽略了焊缝处材料特性的不同币i 焊接缺陷，认为所有单元部具有相同的材 料特性；底座、h 横粱的材料是h t 2 0 0 铸铁，工作台和j ：作台底板的材料是q 2 3 5 a ，拉紧 螺母、拉杆的材料是4 5 钢。这儿种材科的弹性模量以及泊松比部不一样，其材科特性如 下： 1 h t 2 0 0 铸铁 弹性模耸：e = i 2 6 e 8 泊松比： u 卸2 5 密度： p = 7 0 e - 6 2 a 3 焊接钢 弹性模草： e = 2 0e 8 泊松比： i t = 0 2 5 密度： p = 7 8 e - 6 3 4 5 钢 弹性模量： e = 2 0 4 e 8 泊松比： u ：0 2 5 密度： p = 7 8 e - 6 4 4 5 c r 弹性模苗： e - - 2 0 6 朗 泊松比： ：o 2 5 密度： p = 7 8 e 一6 ( k g s “m i l l “) ( k g i l l 3 ) ( k g s - i m m 。) ( k g i l l ) ( k g s 1 m m 。) ( k g m 3 ) ( k g s 1 m i l l ) ( k g m 3 ) 东南人学顾i ：学位论文 2 6 预紧状态计算结果分析 预紧状态下，闭式组合机身承受预紧载荷产生一定的预紧变形和府力，经过在计算机上 的运算，得山机身的z 方向的位移分布y 方向的位移分布，x 方向的位移分布，等效总位 移分布，第一主应力分布等。 蹦2 - 7 学【身的z 向位移分布幽2 - 3 机身的y 向位移分布 幽2 - 9 机身的位移分布幽2 - 1 0 扫【身的第一土心力分布 2 6 i 变形场分析 闭式压力机受拉紧螺栓作州时其上横粱、立柱及下横梁等部位产生的变形将改变装模 高度和使滑块的运动产生倾斜，这些变形的存在，将影响：什