（机械设计及理论专业论文）yhc1000吨门形液压机的三维有限元分析.pdf

y h c 1 0 0 0 吨门形液压机的三维有限元分析 摘要， 有限元和结构构优化等c a e 技术的应用，对于缩短产品开发周期，提高产 品质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重要意义。论文以y h c 1 0 0 0 吨 门形液压机为研究对象，利用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，进行有限 元静、模态特性分析，并根据分析结果进行机身机构优化设计研究。 论文介绍了液压机的工作原理、结构特点、设计方法及适用范围：有限单元 法和结构优化的理论和方法：国内外液压机有限元分析研究的应用现状。提出了 液压机机身静态有限元分析和结构优化的思路，针对机身进行静态有限元分析， 得到应力应变分布云图。根据有限元分析结果，对液压机进行了结构优化和改 进。 论文介绍了t 形焊接的有限元分析，在大量分析结果的基础上，针对t 形 焊接中的焊缝高度、焊趾倾斜角、焊趾过渡圆角半径对焊接应力集中系数的影 响，经回归分析得出方程，并把结果与原来文献给出的进行比较。 论文介绍了有限分模态分析和结构动力分析的概念和理论，对液压机的整体 机架进行有限元模态分析，得到了机架的前八阶固有频率和相应的固有振型， 并对前八阶固有频率和振型进行了详尽的分析和评价。 关键词：液压机；静态分析；机构优化；模态分析；t 形焊接 t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f y h c 1 0 0 0 t o n h y d r a u l i c p r e s s a b s t r a c t 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni ss i g n i f i c a n t i ns h o r t e n i n gt h ep e r i o do fp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n gt h eq u a l i t yo f p r o d u c t i o n , r e d u c i n gt h ec o s to f m a n u f a c t u r ea n di m p r o v i n gt h ee n t e r p r i s ea b i l i t y s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ef r a m eo f y h c 10 0 0 t o nh y d r a u l i cp r e s sa r er e s e a r c h e di nt h i sp r e s e n td i s s e r t a t i o nu s i n gf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sa n ds o m eo p t i m a ld e s i g n so fh y d r a u l i cp r e s sf r a m e s t r u c t u r eh a v e b e e nr e c o m m e n d e db a s e do nt h er e s u l t so fa n a l y s i s t h ep a p e l - i n t r o d u c e dw o r kp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g nm e t h o da n d a p p l i c a t i o nr a n g eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e ：i n t r o d u c e dt h et h e o r ya n dm e t h o do fs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n df e a ；i n t r o d u c e dt h es t a t u so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na b o u tt h ef e a i nh y d r a u l i cp r e s s u r eh o m ea n do v e r s e a s t h ep a p e rp u tf o r w a r dt h er o u t eo fs t a t i c 6 m t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nf o rt h ec o m p o n e n t s0fh y d r a u l i c p r e s s u r e ，p e r f o r m e dt h es t a t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff u s e l a g e ，a t t a i n e dt h e d i s t r i b u t i n gn e p h o g r a mo fs t r e s sa n ds t r a i n t h cp a p e re x e c u t e d t h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n da m e l i o r a t i o nb a s e do nt h er e s u l t so fs t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ep a p e l i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n e e p ta n dt h e o r yo f m o d e la n a l y s i sa n ds t r u c t u r e d d y n a m i ca n a l y s i s ；p e r f o r m e dt h em o d e la n a l y s i so ft h ew h o l ef r a m e w o r ko fh y d r a u l i c p r e s s u r ea n dc a l c u l a t e dt h ef i r s te i g h t - r a n ki n h e r e n c yf r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n g v i b r a t o r y - t y p e ；a n a l y z e da n de s t i m a t e dt h ef i r s te i g h t - r a n ki n h e r e n c yf r e q u e n c ya n d c o r r e s p o n d i n gv i b r a t o r y - t y p eo fh y d r a u l i cp r e s s u r e t h ep a p e ri n t r o d u c e da n a l y s i so fw e l d i n go ft ，o nt h eb a s eo f m a n ya n a l y s i sr e s u l t s a c c o r d i n gt oi n f e c t i o no ft h ew e l dh e i g h t 、t i l ta n g l ea tw e l dt o e s 、r a d i u so ff i l l e ta t w e l dt o e st ot h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r ，w eg e tt h ee q u a t i o nb yr e g r e s s i o n a n a l y s i s ，a n dc o m p a r et h ee q u a t i o nw i t ht h ee x i s t i n ge q u a t i o n k e y w o r d ：h y d r a u l i cp r e s s u r e ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ； 插图清单 图2 1 液压机的主要结构8 图2 2y h c 1 0 0 0 吨门形液压机简化图1 4 图2 3 地脚细划分1 4 图2 4 机身网格划分图1 5 图2 5 机身施加载荷1 6 图2 6 机身变形云图1 7 图2 7 机身应力云图1 7 图2 8 上梁结构图19 图2 9 方案一上梁变形图l9 图2 1 0 方案二上梁变形图2 0 图2 1 1 方案三上梁变形图2 0 图2 1 2 方案四上梁变形图2 0 图2 1 3 方案五上梁变形图2 l 图2 1 4 方案六上梁变形图2l 图2 1 5 优化方案一的机身变形图2 2 图2 1 6 优化方案二的机身变形图2 3 图2 1 7 优化方案三的机身变形图2 3 图2 18 优化方案四的机身变形图2 4 图3 1 有限元模型2 7 图3 2 有限元网格划分2 8 图3 3 过渡圆角细化2 8 图3 4 0 = 3 0 。时焊接高度h 与应力集中系数k t 的关系2 9 图3 50 = 4 5 。时焊接高度h 与应力集中系数k t 的关系3 0 图3 60 = 6 0 。时焊接高度h 与应力集中系数k t 的关系3 0 图3 7 0 = 3 0 。时焊趾过渡圆角半径r 与应力集中系数k t 的关系3 l 图3 80 - - - - 4 5 。时焊趾过渡圆角半径r 与应力集中系数k t 的关系3 1 图3 9 0 - - - - 6 0 。时焊趾过渡圆角半径r 与应力集中系数k t 的关系3 1 图3 1o 拟合误差散点图。3 2 图4 1 一阶振型3 9 图4 2 二阶振型4 0 图4 3 三阶振型。4 0 图4 4 四阶振犁4 l 图4 5 五阶振型4 1 图4 6 六阶振型4 2 图4 7 七阶振型。4 2 图4 8 八阶振型4 3 表格清单 表2 1 液压机上横梁六种改进方案的比较2 1 表2 2 液压机上横梁四种优化方案的比较2 2 表3 1 本文回归分析所得公式与原有公式的对比一3 3 表4 1 液压机的八阶固有频率3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。 据我所知，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 佥墨墨些盘堂 或其它教育机构的学1 1 ：7 = 或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明并表示谢意。 学雠者躲蝴签字魄2 叼舢7 吐 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金墨墨些盘堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权 金墨三些盘堂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、缩印或扫描等复印手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：碳前 签字日期：2 咖尕9j - o l - 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：卯g 未j 旷 电话： 邮编： 致谢 首先衷心感谢王卫荣老师入学三年来对我的悉心指导和关怀照顾! 王老师 扎实广博的专业知识、严谨认真的治学态度、忘我工作的敬业精神和诲人不倦 的高尚师德深深地感召着我。这三年来，王老师不仅教会了我进行学术研究的 科学方法，更是在生活点滴中培养了我严谨认真的学习态度以及谦逊真诚的处 事风格。 王卫荣老师对我研究生阶段的学习和论文撰写工作自始至终都倾注了大量 的心血，对我论文的选题、修改直至定稿都给予了精心的指导。在学业和生活 上，王老师始终以一个长者和朋友的双重身份来关心帮助着我，令我受益菲浅。 对导师的崇敬和感激之情，非我的笔墨所能言尽，谨在此表示最由衷的祝福和 深深的谢意。在这里我要再说一声：谢谢您王老师! 您辛苦了! 特别感谢机械设计教研室的柯尊忠博导、高荣慧副教授、丁曙光副教授、 赵小勇、翟华、胡兆稳、董迎晖教授等各位老师都给予我很大的帮助。在此， 一并向他们表示诚挚的感谢和崇高的敬意! 在论文撰写期间，张延、贾光辉、卢剑宾、杨兆忠、李登记和章文誉等同 学以及室友、都给了我无私的帮助和支持，在此向他们表示衷心的感谢! 最后，还要特别感谢我的父母和男朋友孟凡阁。我在外地读研期间，无论 在学习还是生活中，他们都给了我最坚定的支持和鼓励，使我能够安心顺利地 完成学业! 作者：樊静 2 0 0 7 年1 2 月 1 1 课题背景 第一章绪论 液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一。自十九世纪以来发展很快， 已成为工业生产中必不可少的设备之一。由于液压机在工作中的广泛适应性， 使其在国民经济各部门获得广泛的应用。如板材成型；管、线、型材挤压；粉 末冶金、塑料及橡胶制品成型；胶合板压制、打包；人造金刚石、耐火砖压制 和炭极压制成型；轮轴压装、校直等等。各种类型液压机的迅速发展，有力地 促进各种工业地发展和进步。八十年代以来，随着微电子技术、液压技术等的 发展和普及应用，液压机有了更进一步的发展。目前，液压机的最大标称压力 已达到7 5 0 m n m ，用于金属的模锻成型。众多机型已采用c n c 或工业p c 机来 进行控制，使产品的加工质量和生产效率有了极大的提高。 随着人们生活水平的提高，金属压制和拉伸制品的需求逐年提高，同时， 对产品品种的需求也越来越多，另一方面产品的生产批量日益缩小。为与中、 小批量生产相适应，需要能够快速调整的加工设备，这使液压机成为理想的成 型工艺设备。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加工件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、难成型以及高强度的材料。可变的动力组合、 短的加工时间、根据工件长度简易的压力行程调整，这与机械加工系统相比， 有其优越性。 在国内外液压机产品中，按其机构形式可分为四柱式液压机、框架式液压 机、单柱液压机( c 型机) 。一般在制品的工艺中大多数企业还使用四柱式液压 机，由于其在对称结构制品生产中具有较强的性能价格比而获得广泛的应用。 在国防工业和民用工业中，液压机占有及其重要的地位，其发展水平、拥 有量和构成比不仅对塑性加工起关键作用，而且在一定程度上反映一个国家的 工业水平。由于液压设备具有压力和速度可在大范围内无级调整，可在任意位置 输出全部功率和保持所需压力，结构布局灵活，各执行机构可很方便地达到所希 望的动作配合等优点，因此，液压机在我国国民经济的各行各业，尤其是塑性加 工领域得到了日益广泛的应用。从总体上看，板材液压成形设备的结构主要有3 种形式： ( 1 ) 双动液压机：由内、外滑块及顶出器构成，凸模装在内滑块上，压边圈 装在外滑块上，凹模兼作液压室。具有供液装置、液压自动控制装置、压边自动 控制装置、送料装置、取件装置等。采用这种设备实现模具的快速闭合，需要高 容量的液压装置。 ( 2 ) 单动压力机：模具的固定及坯料压边由机械装置实现，模具的闭合由液 压装置实现( 如在单动机械压力机横梁上配备倒置的内有可动柱塞的液压装置) 。 ( 3 ) 单动液压机：具有液压压边装置，上模的工作行程由机械装置上的定位 架确定，下模底部有数个短行程柱塞缸提供压边力，液压缸的位置可根据需要重 新布置，液压力可单独控制或成组控制，故可得到按成形过程变化的压边力。在 实际工业生产中，这种具有多缸液压垫装置的压力机数量不多，因此，开发在基 板和压边圈上装有多个液压缸的模具系统更有实用价值。 我国制造液压机的厂家众多，在设计技术、制造水平、产品质最、生产规模、 加工能力均处于国内同行业领先地位的有合肥锻压机床股份有限公司、天津市锻 压机床总厂、徐州锻压机床厂等。目前国内中小型液压机制造厂在提高能源利用 率所进行的油路优化设计上采用的比较多的是双联泵供油( 即高压小流量、低压 大流量) ，如湖州机床厂，南通锻压设备厂和康思达公司的产品。较先进的是采 用比例泵，如天津锻压厂的y t 7 9 z 一1 1 0 粉末制品机。在系统安全方面，国内一般 都采用安全阀保证系统压力不会过载，一般机型只具有光电报警式行程安全或行 程限位阀和过载保护装置。在系统维护方面，无故障监视装置，没有补偿功能。 机器维护方法仍停留在换油、过滤、润滑等简单层次。 国外生产液压机的厂家主要有丹麦的s t e n h o j 公司、美国的m u l t i p r e s s 公 司、加拿大的b r o w n b o g g s 公司等。它们普遍应用微电子技术和比例伺服系统控 制，能有效利用能源减少冲击和噪声。d a k e 公司、迪斯公司、f e r r a r a 公司都推 出了低噪声，高速度系列的机型。在系统安全方面，国外厂家采用电子互锁门( 如 f r e n c h p r e s s 公司) 来加强其操作时的安全性。在系统维护方面，国外某些生产厂 采用微处理器控制的高性能液压拉深机，并利用软件进行故障的监测和维护，如 b r o w nb o g g s 产品可实现负载监测、自动模具保护以及错误诊断等功能【2 】。 国内液压机技术及生产能力已逐渐趋于成熟，在国内的市场占有率达到9 0 ，并已经开始向一些发达国家出口，但液压机行业在今后的发展中，仍需努力， 特别要做好以下几点： ( 1 ) 加强企业的技术研发能力，提升新产品的开发能力，机床行业的高端竞 争在很大程度上取决于产品的技术含量。中国的液压机行业要想占领世界的中高 端市场，首先必须在技术上达到国际较先进的水平，国内应设立专门的液压机研 究机构及人员，以提高液压机的综合技术水平。 ( 2 ) 加强企业间的联合，把主机生产企业、自动送料企业、研究院所联合 起来，发挥各自的优势，共同开发和承担成套的自动生产线项目，解决相互关 联的技术。 ( 3 ) 提高产品质量，提供高可靠性的产品。在液压系统的可靠性、安装质 量、加工质量、漏油问题、液压油的清洁问题上进行改进，以适应自动线、流 水线的生产。 2 在我国，液压成形设备相对还是比较落后的，了解国内外的发展形势和状 况，对于进一步发展我国的液压成形技术，加速我国液压成形设备的发展有重 要的意义【3 1 。 1 2 课题来源 研究课题来源于合肥锻压厂。为了解液压机的工作原理与结构组成，从而 进行零件三维建模、各部件与整机的装配，在课题进行的过程中，对液压机生 产车间进行了实地考察。 液压机作为锻压机械的一种，具有功率大、精度高、规格多等优点。然而， 液压机的生产现状却比较落后，目前锻压厂中液压机的结构设计采用的是传统 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，但存在诸多弊端。首先，设计周期长。按照材料力学原理 和简化经验公式进行手工计算，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大 量时间。其次，结构组件冗余，用材质量大。传统设计在材料使用上偏于保守， 致使液压机产品比国外同种规格产品重量大，成本高效益低。第三，设计人员 工作量重复，造成资源浪费。液压机组成基本相似，布局形式一般为三梁四柱 式，在开发设计新的液压机时，完全可以在原有的液压机上改变参数得到新图 纸，但是实际中却需要重新设计出新图纸。 为解决这些问题，需要深入研究液压机的工作原理与设计过程，将目前发 展迅速的c a d c a e 技术应用到液压机设计过程中，开发出更为合理与先进的液 压机设计技术。本文主要以二柱式液压机y h c 1 0 0 0 为研究对象，在对液压机的 设计与生产过程进行深入了解的基础上，结合c a e 技术，应用有限元分析软件 a n s y s 对液压机的机身进行结构分析，利用分析结果进行结构改进，同时对机身 进行了模态分析，最后对t 形焊接进行分析。整个过程将计算机技术与产品设 计技术紧密的结合起来，实现了c a e 技术在液压机设计中更高层次地应用。 1 3 课题目的和内容 1 3 i 课题研究的目的 近年来，由于我国国民经济的迅速发展，各行各业对液压机的需求越来越 多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多液压机生产厂家都把静力集中在开 发高速度、高精度的液压机上，研究方向不在机身上，而且已移到整个液压机 装配上，在研究的手段上不但是计算机仿真，而且应用了许多有效的试验模拟 装置。我国液压机的分析水平还不高，长期以来还停留在材料力学的方法上， 将机身简化成杆梁结构，而且许用应力大多来自经验。对机身的有限元分析大 3 多限于静态分析，而从动态方面来研究做的很少。随着电子技术、计算机技术 与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、目标最优化、过程自动化、 使机床加工高速化、加工过程自动化和柔性化。并且具有高的可靠性和良好的 经济效益。只有这样，才能提高我国机床的产品质量和国际竞争力，推动我国 的民族工业生产。 1 3 2 课题的主要研究内容 课题采用有限元分析软件a n s y s 作为分析工具，对y h c 1 0 0 0 吨门形液压 机的机身进行有限元静态分析、模态分析，并根据结果进行机身的结构优化设 计研究，同时以其立柱为例分析了t 形焊接，主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 根据液压机的二维图纸，通过s o l i d w o r k s 建立三维实体模型。根据液 压机的工作情况，分析液压机的受力： ( 2 ) 通过对液压机的有限元计算，分析了液压机机身的静态特性，即应力场 分析、变形场分析，找出了机身在静态下的薄弱环节； ( 3 ) 通过机身静态分析的薄弱环节，研究了上梁三个主要板的厚度对机身变 形的影响，根据研究结果，给出了四种优化方案，根据四种方案的最终分析结 果，得出最优结果。 ( 4 ) 以立柱上的筋板为例，分析了t 形焊接中焊趾倾斜角、焊趾过渡圆角半 径、焊接高度参数对焊接应力集中系数的影响，通过回归分析得出最终方程。 ( 5 ) 对液压机的机身进行了模态计算，分析了前八阶固有模态对液压机的影 响。 4 第二章y i t c 1 0 0 0 吨门形液压机机身的静力分析 2 1 液压机机身机构分析的发展状况 液压机机身在锻压设备中起重要作用，早期人们对机身的研究采用材料力 学的方法，计算出设备在公称压力下危险点的压力和机身的最大变形，再引入 许用应力和许用变形，使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。由 于这种方法不需要先进的设备，所以国内很多的液压机企业都使用这种方法。 但是材料力学研究对象主要是横截面积尺寸远小于轴线长度的杆件，往往采用 了一些关于变形的近似假设，如平面假设等，近似地求得所研究杆件在外力作 用下的应力及变形，最后再加入许多人为的经验才能满足工程要求。将机身简 化成材料力学中的杆件或者杆件组合，其计算结果是非常粗糙的，很难说明问 题。设计为了保险，往往加大安全系数，结果使得设备非常笨重，既增加了成 本，又浪费了原材料。在此基础上的优化，也不过是局部和近似的优化而已。 有限元法实际上是古典变分法的一种变化和发展，其基本思想一离散化的 观点，早在二十世纪四十年代就已经提出来了。到了五十年代，英国的一个航 空系教授阿吉里斯( a r g y s i s ) 和他的合作者打破了十年沉默的局面，使有限元 成功地应用于结构分析问题。与此同时，美国教授克劳夫( r w , c l o u g h ) 运用 三角形单元对飞机结构进行计算，并在1 9 6 0 年首先提出“有限元 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。我国著名计算 数学家冯康早在1 9 5 6 年就发表了研究论文。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 ) 及其合作者提出了有限元法可用于所有场的问题。有限元法 首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应用于造船、机械、 动力、建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、 电磁学、声学和振动学等领域，并伴随高速数字电子计算机的发展和有限元理 论的研究得到迅速发展。 压力机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的，我国具有 代表性的文章是文献，主要是根据j 2 3 8 0 型压力机机身左半部分的受力简 图，利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应力，并求出机身 的线刚度和角刚度，与实测和材料力学的计算进行比较验证。随后这方面的研 究逐渐增多，领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序s p s 对封闭式4 0 吨位数控回转头压力机机身进行计算，并把计算与实测结果进行了 比较并找出存在误差原因【6 】。王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 。王苏安等针对某厂2 5 吨位曲柄连杆式飞 5 剪机机架使用中存在的问题，采用a l g o r 软件对飞剪机机架进行了有限元分 析和强度研究，得出了飞剪机机架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应 用电阻应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。并对飞 剪机机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通 过改进的曲柄连杆式飞剪机机架性能比以前更好【8 】。李陪武等以j 5 3 - - 16 0 0 型 双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机 身强度和刚度的影响，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1 9 。史宝军、管延锦等对压力机的刚度和强度进行了研究，并结合机身的 结构特点。分别采用了许多措施，使机身的结构更合理【lo 】【1 1 1 。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和结构优选，取得了既减轻重量又 提高强度、刚度的显著效果。说明压力机械的有限元分析已经从原来的应力和 变形分析走向机构的静态优化【1 2 1 。 压力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，其中文献 1 3 是比较早的一篇，文章主要针对j 2 3 8 0 型开 式压力机机身进行有限元分析，并用w i l s o n - - 0 法得出机身主截面的动应力和机 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， 压力机械动态有限元应用的广度和深度不断增加，接着李德军等以j 5 3 1 6 0 0 型双盘摩擦压力机位对象，建立机身有限元模型，并将理论模态分析结构与模 态试验结果进行比较，还模拟计算了冷击、锻击情况下压力机的振动响应，为 摩擦压力机的动态设计提供了一定的参考。对闭式压力机机身研究的文章主要 有文献 1 4 】。文章利用m a r c 软件对闭式压力机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， 最后还用l a n c z o c s 方法计算了机身的前十阶模态，分析了各级模态对设备的影 响，又对机身进行了进一步的优化，使机身的动态模型得到进一步的提高，为 高速压力机的动态设计提供非常有用的资料。 国外对于压力机的机身也有所研究，德国的m n e u m a n n 和h h a n h n 建立了 机械压力机的三种不同复杂的工程模型，并通过试验进行验证模型的参数，从 而对压力机进行计算机仿真和动态设计【l5 1 。丹麦的m a r e n t o f i ，m 。e r i k s e n 和 t w a n h e h e i m 设计了一种压力机试验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机 的设计提供了有益的帮助【16 1 。 而在工程中更常见的不是杆件，而是形状非常复杂的结构，就很难用材料 力学的方法来以研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化，如轴肩，切槽 和油孔等，在这些截面上，实际应力和材料力学公式计算结果相差很大。弹性 力学研究的是理想弹性体在外力作用下的变形与应力。它所研究的变形从几何 形状来说比较广泛，并不局限于杆。由于经典弹性力学要求的条件比较严格， 以致于许多实际问题用弹性力学很难求解。而有限元法是对弹性力学的补充， 6 弥补了经典弹性力学的不足，在机床结构的动力学方面得到了广泛的应用。 在机床机身的研究上，已经从静态向动态发展，而且应用了各种各样的技 术。随着控制技术的提高，锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻量化的 方向发展。液压机机身设计从材料力学的机身危险点和机身最大变形的校核， 到有限元的使用和数值模拟技术的引入对其进行模态分析和动态响应分析使机 身设计水平有很大的提高，但还存在一下几个问题： 1 、建立的计算模型和实际结构差距较大。 2 、机身静态的特性研究比较多，对动态的研究较少；对低速设备研究 的比较多，对高速设备研究比较少。 3 、 在设计上解决静态与动态的联合设计问题。 4 、在结构动力学优化设计中去除求解盲目性问题，应该比较清楚的研 究其解的存在性与唯一性问题。 5 、 只注重研究，不注重应用问题等 17 1 。 2 2 液压机的结构特点 典型的液压机结构为三梁四柱式，三梁四柱式液压机是由上横梁、下横梁、 四个立柱通过螺母和拉杆组成的一个封闭框架，框架承受全部工作载荷。工作 缸固定在上横梁上，工作缸内装有工作柱塞，柱塞与活动横梁相连接。活动横 梁以四个立柱为导向，在上下横梁之间往复运动，使工件发生塑性变形。上横 梁的两侧还有规定的回程缸，当高压液体进入回程缸时，推动回程缸柱塞向上， 通过顶部小横梁及拉杆，带动活动横梁实现回程运动。液压机的工作循环一般 包括停止、充液行程、工作形程及回程，如图2 1 。液压机是一种主要的锻压设 备，广泛地应用于国民经济地各个部门。液压机与其他锻压设备相比较具有以 下特点： 1 在结构上易于得到较大的总压力、较大的工作空间及较长的行程，因此便 于压制大型工件及较长较高的工件，这是其他锻压设备难以做到的。 2 与锻锤相比，工作平稳，撞击和振动很小，噪音小，对工人的健康、厂房 地基、周围环境及设备本身都有很好保护。 3 与机械压力机相比，结构比较简单，容易制造。随着液压元件标准化、系 列化、通用化程度的提高，以及专业顶点生产的逐步实现，比较适合于中小厂 家白行制造。 4 随着大功率高速轻型泵的出现，液压机快速性能已经有很大提高，如锻造 液压机的每分钟次数可以达到8 0 一1 0 0 次，改变了过去液压机工作速度慢的状 况。 7 2 3 a a s y s 软件介绍 2 3 1 a n s y s 简介 图2 1 液压机的主要结构 a n s y s 是融机构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件， 可广泛用于核工业、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 等工业及科学研究中。属于大型有限单元分析软件中较为常用的软件。 有限单元法 1 8 】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，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。它首先在连续 体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法， 随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。它不仅 能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，而且还可以用于工程设 计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确的计算形状复杂零件的应力分 布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。 有限元法是建立在固体流动变分原理基础之上的，用有限元进行分析时， 首先将被分析物体离散成许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性， 再者求解线性或者非线性方程组，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构。总之，目前的商用有限元程序不但 分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，只要有一定基 础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这就是它能被迅速推广 的主要之一。 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论尚处于 初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法 在工程上普及。到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功 能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为 结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、流体力学、热 力学和电磁学等许多领域发挥着重要的作用 19 1 。当前，我国工程界比较流行， 被广泛使用的大型有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r e 、a d i n a 和a l g o r 等。 我国在“九五”计划期间大力推广c a d 技术，机械行业大中型企业c a d 的普及率从“八五”末的2 0 提高到目前的7 0 。随着企业c a d 应用的普及， 工程技术人员逐步甩掉图板，从而将主要精力投身于如何优化设计，提高工程 的产品质量，计算机辅助工程分析( c a e ，c o m p u t ea i d e de n g i n e e r i n g ) 方法和软 件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件于c a d 系统的集成 应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：增加设计功能， 减少设计成本；缩短设计分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优 化合计降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。 在大力推广c a d 技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开 有限元分析计算，有限单元分析法( f e a ) 在工程设计和分析中将得到越来越 广泛的重视。 2 3 2 a n s y s 的特点 该软件具有以下几个主要特点： ( 1 ) 完备的前处理功能。a n s y s 不仅提供了强大的实体建模及网格划分工具， 可以方便地构造数学模型，而且还专门设有用户所熟悉的一些大型通用有限元 软件的数据接口( 如m s c n s s t r a n ，a l g o r , a b a q u s 等) ，并允许从这些程序中读取 有限元模型数据，甚至材料特性和边界条件，完成a n s y s 中的初步建模工作。 此外，a n s y s 还具有近2 0 0 种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户方便而准 确地构建出反映实际结构的仿真计算模型。 ( 2 ) 强大的求解器。a n s y s 提供了对各种物理场量的分析，是目前唯一能融结 构、热、电磁、流体、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性 结构静力、动力分析外，还可以解决高度非线性结构的动力分析、结构非线性 及非线性屈服分析。提供的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配 置。 9 ( 3 ) 方便的后处理器。a n s y s 的后处理分为通用后处理模块( p o s t l ) 和时间 历程后处理模块( p o s 亿6 ) 两部分。后处理结果可能包括位移、温度、应力、 应变、速度以及热流等，输出形式可以是图形显示和数据列表两种。 ( 4 ) 多种使用的二次开发工具。a n s y s 除了具有较为完善的分析功能外，同时还为 用户进行二次开发提供了多种使用工具，如宏( m a r c o ) 、参数设计语言( a p d l ) 、 用户界面设计语言( u l ) 及用户编程特性( u i ，f s ) 等。 2 3 3 a n s y s 的主要功能 a n s y s 软件提供了对各种物理场量的分析，是一种融结构、热、流体、电磁、 声学于一体的大型通用有限元分析软件，其主要功能包括： 1 结构分析 结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构分析中得到的基本 未知量是节点位移，其他一些未知量如应力、应变、支座反力等都可以通过节 点位移计算得到。a n s y s 能够完成的结构分析有： 结构静力分析； 结构非线性分析； 结构动力分析； 隐式、显式及显式一隐式一显式耦合求解。 2 热分析 热分析用于计算一个系统的温度等热物理量的分布及变化情况。基于热平衡 方程，a n s y s 程序能够计算各节点的温度，并导出其他的热物理量。a n s y s 能够 完成的热分析有： 稳态温度场分析； 瞬态温度场分析； 相变分析； 辐射分析。 3 流体力学分析 a n s y s 程序的f l o t r a nc f d 分析功能能够进行二维及三维的流体瞬态和稳态 动力学分析，其可以完成如下分析： 层流分析、湍流分析； 自由对流与强迫对流分析； 可压缩流不可压缩流分析； 亚音速、跨音速、超音速流动分析； 多组份流动分析； 移动壁面及自由界面分析； 牛顿流与非牛顿流分析； l o 内流和外流分析； 分布阻尼和f a n 模型分析； 热辐射边界条件； 管流。 4 电磁场分析 a n s y s 程序能分析电感、电容、涡流、电场分布、磁力线分布及能量损失等 电磁场问题，也可以用于螺线管、发电机、变换器、电解槽等装置的设计与分 析。其内容包括： 2 d 、3 d 及轴对称静磁场分析； 2 d 、3 d 及轴对称时变磁场，交流磁场分析； 静电场，a c 电场分析； 电路分析：包括电阻、电容、电感等； 电路一磁场耦合分析； 电磁兼容分析； 高频电磁场分析； 计算洛仑兹力和焦耳热力。 5 声学分析 a n s y s 程序能进行声波在含流介质中的传播的研究，也能分析浸泡在流体中 的固体结构的动态特性。这些功能可确定音响的频率响应，研究大厅的声场分 布等。其涉及范围包括： 声波在容器内的流体介质中传播； 声波在固体介质中的传播； 水下结构的动力分析； 无限表面吸收单元。 6 压电分析 用于分析二维或三维结构对a c 、d c 或任意随时间变化的电流或机械载荷的 响应。主要研究内容如下： 稳态分析、瞬态分析； 谐响应分析； 瞬态响应分析； 交流、直流、时变电载荷或机械载荷。 7 多耦合场分析 多耦合场分析就是考虑两个或多个物理场之间的相互作用。a n s y s 统一数据 及多物理场分析并存的特点保证了可方便地进行耦合场分析，允许的耦合类型 有以下几种： 热一应力； 磁一热、磁一结构： 流体流动一热； 流体一结构； 热一电； 电一磁一热一流体一应力。 8 优化设计 优化设计是一种寻找最优化设计方案地技术。a n s y s 程序提供多种优化方法， 包括零阶方法和一阶方法等。对此，a n s y s 程序提供了一系列的分析一评估一修 正的循环过程。此外，a n s y s 程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程。 9 用户编程扩展功能 用户可编程特性( u p f s ) 是指，a n s y s 程序的开放结构，允许用户连接自己 编写的f o r t r a n 程序和子程序。u p f s 允许用户根据需要制定a n s y s 程序，如 用户自定义的材料性质、单元性质、失效准则等。通过连接自己的f o r t r