（机械设计及理论专业论文）液压机有限元结构设计系统的研究与应用.pdf

中文摘要 摘要 液压机作为一种重要的锻压设备在机械制造行业中占有重要地位，其发展状 况在一定程度上反映了一个国家的工业制造水平。目前，随着有限元方法的推广 使用，采用成熟的大型通用有限元分析软件进行液压机的结构设计已成为一种趋 势。但是，目前的液压机有限元分析方法还主要集中在针对单一产品的设计上， 缺乏系统性。本文以a n s y s 有限元分析软件为平台，以a p d l 语言为工具，建立 了一个附着在a n s y s 上的液压机结构设计软件系统。该设计系统可直接用于企业 的产品设计，能够实现液压机结构设计的高效性、简捷性和准确性。具有工程实 际应用价值。 本文主要的研究内容和结论有： 结合液压机结构设计特点，提出了三维十节点等参单元s o l i d 9 2 的有限 元分析算法和子问题优化、梯度优化算法。为液压机结构有限元分析和优化设计 系统的建立奠定了理论基础。 以系统工程的观点为指导，以产品知识库的建立为支撑，阐述了液压机结 构有限元设计系统的基本框架构成。提出了可变模块化和参数化相结合的几何建 模新方法，提高了有限元设计分析的灵活性和通用性。 从程序结构的角度出发，介绍了液压机结构有限元设计系统的菜单、参数 输入、a n s y s 前处理、a n s y $ 后处理和优化设计、软件帮助系统各组成部分的 功用、内容和基于a p d l 的程序实现方法，并对上述各组成部分进行了软件封装， 使之成为一个能在a n s y s 环境下工作的小型应用软件。 以某型三梁四柱式单缸液压机上横梁为例阐述了有限元设计系统的具体 建立过程和步骤。并应用该设计系统对该上横梁进行了有限元分析，得到了正载、 x 向偏载和z 向偏载下应力、变形分布规律；同对运用该设计系统对上横梁结构 进行了优化设计，得到了最优化的设计结果，并以此结果对上横梁进行了结构重 分析。以上结果与实际情况吻合较好，验证了开发的设计系统的可靠性和可行性。 针对目前三梁四柱式单缸液压机上横粱偏载施加不够准确的问题，推导了 偏载情况下载荷分布的方程式，并将该方程式所代表的载荷分布规律融入到了有 限元设计分析系统之中，实现了在a n s y s 中用程序的方法在模型上施加偏载，较 真实地反映了载荷在上横梁受载环面上的分布情况，为液压机偏载情况的处理提 供了一种新方法。 关键词：液压机结构，有限元，a n s y s ，设计系统，可变模块，参数化，上横梁， 偏载 英文摘要 a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s sh a si m p o r t a n ts t a t i o na sa k i n do f f o r g i n ge q u i p m e 8 a ti nt h em a h i n e m a n u f a e u a i n gi n d u s t r y i nam e n n e r , t h ed e v e l o p m e n t a ls t a t u so ft h eh y d r a u l i cp r e s s r e p r e s e n tt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yl e v e lo fo n ec o u n t r y a tp r e s e n t , i th a sb e e o ma t i d ed e s i g n n i n gt h es t r u c t u r eo f t h eh y d r a t t l i ep r e s sw i t ht h el a r g et m i v e r s a lf e as o f l w a r b u t , a c t u a lf e am e t h o do ft h eh y d r a u l i cp r e s sl a c ko fs y s t e m a t i e n e s s ，b e c a u s ei t m o s t l ya c c o m p l i s ht h ed e s i g no f s o m ek i n do f p r o d u c t i nt h i sa r t i c l e , t h es o t t w a rd e s i g n s y s t e ma d d e di nt oa n s y s a b o u tt h eh y d r a u l i cp r e s s s t r u c t u r eh a sb e e ne s t a b i s h e c t , u s e da n s y sa sa p l a t f o r m ea n du s e da p d ll a n g u a g ea sat 0 0 1 t h i sd e s i g ns y s t e - i mc a l l b eu s e dd e s i g n e dt h es m l e t u r e sd i r e c t l y i th a se n g i n e e r i n ga p p l i e dv a l u ea n dm a d et h e d e s i g np r o c e s sm o r es t r a i g h t f o r w a r da n d f a s t t h em o s tc o n t e n ta n dc o n c l u s i o no f t h i sp a p e ra l e ： t h ef e aa r i t h m e t i co ft h e3 - dl o - n o d ei s o p a r a m e t r i ee l e m e n ta n dt h e o p t i m i z a t i o na r i t h m e t i co f t h es u b p r o b l e r aa p p r o x i m a t i o n m e t h o da n dt h eg r a d i e n tt o o l w 矗弓p r e s e n t e db a s e dt h es t r u c t u r a ld e s i g nc h a r a c t e r i s t i co ft h eh y d r a u l i cp r e s s t h e s e a r i t h m e l i e sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef e aa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h el a y d r a u l i e p r e s s t h eb a s a lf l a m eo ft h ef e a s t r u e t u r od e s i g n 町吲盥o ft h eh y d r a n l i e 蹦s 臀d e s c r i b e d , u s e dt h es y s t e m sv i e w p o i n ta sai n s t a l a e t i o na n du s e dt h ep r o d u c t s r e p o s i t o r y a sas u p p o r t t h en 钾g e o m e t r ym o d e l i n gm e t h o dc o m b i n e da l t e r a b l e m o d u l a r i z a t i o nw i t hp a r a m e t e r i z a t i o nw a f tp r e s e n t e d ，m a d et h ef l e m b i l i t ya n d u n i v e r s a l i t yo f t h ef e ad e s i g ni m p r o v e d t h ef t m e t i o n ，c o n t e n ta n dt h ep r o g r a m m e sw i t ha p d ll a n g u a g eo f t h ef e a s t r u c t u r ed e s i g ns y s t e ma b o u th y d r a u l i cp r e s sw e l ei n t r o d u c e df i o mt h ea n g l eo ft h e p r o g r a ms t u e t u r e t h ed e s i g ns y s t e mi sc o n s i s t e d o f t h em e n u , p a r a m e t e ri n p u t , a y s y s p r e - p r o e 船s i n g , a n s y sp o s t - p r o e e s s i n g , o p t i m i z a t i o nd e s i g na n ds o t t w a rh e l ps y s t e m a l lc o m p o n e n t sw c r l ee n c a p s u l a t e das m a l la p p l i c a t i o ns o f t w a r et h a t 啪w o r ki n a n s y s a sa l le x a m p l e , t h ee s t a b l i s h e dp r o c e s so ft h ef e ad e s i g ns 舯o f a l lu p p e r b e mw i t hs i n g l ec y l i n d e ro f a h y d r a u l i cp r e s sw h i c h h a st h r e eb e a m sa n df o u re o l t m m s 憾d e s c r i b e d t h ed e s i g ns y s t e mh a sb e e nu s e dt oa n a l y s et h eu p p e r b e m , a n dt h e r e g u l a r i t i e so fd i s l z i b l m o no ft h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o na tn 嘲w o r k i n gc o n d i t i o n s 重庆大学硕士学位论文 1 1 1 et h r e ew o r k i n gc o n d i t i o 地a r e - v e r t i c a ll o a d , x - e c c e n t r i c1 0 a da n dz - e c c e n t r i cl o a d a n d , t h ed e s i g ns y s t e mh a sb e e n u s e do p t s - r a z e dt h eu p p e r b e a m t h e nt h er e s u l to ft h e o p t i m i z a t i o nh a sb e e nu s e da n a l y s o dn e w l yt h eu p p e t b e a m i tv a l i d a t e dt h er e l i a b i l i t y a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ns y s t e m b e c a u s ea l lc a l c u l a t e dr e s u l t sw 啪i na c c o r d w i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n m f u n c t i o no f t h er a r i n g 胛嘣w i t hc o o r d i n a t e si sd e r i v e df o rs o l v i n gt h e p r o b l e mo fi n a c c u r a t ea p p l y i n gt h ee c c e n w i c - l o a do nt h eq 卿锄o fh y d r a u l i c p r e s s a n dp r o g r a m m e du s e dt h i sf u n c t i o ni na n s y s t m sm e t h o dg a v et h er e a ls t a t u s o ft h el o a dd i s t r i b u t i o n i t p r o v i d e d ak i n do fn 聊m e t h o dd e a l i n gw i t ht h e e c c e n t r i c - l o a d k e y w o r d s ：h y d r a u l i cp r e s ss t r u c t u r e , f e 凡a n s y s ，d e s i g ns y s t e m , a l t e r a b l em o d u l e , p a r a m e t e r i _ 翻t i o n , u p p e r b e 舡n , e c c e n t r i c - l o a d i v 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工作及取 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 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖态堂 或其他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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖去堂有关保留、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。本人授权重废太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、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日签字日期：年月e t 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 液压机是制品成型生产中应用最广泛的设备之一，在工业生产的各个行业中 应用非常普遍，其发展状况在一定程度上反映了一个国家的工业制造水平。液压 机作为一种通用的无削成型加工设备，其工作原理是利用液体的压力传递能量来 完成各种压力加工。与其它加工设备相比，液压机具有传力大、高柔性、传动平 稳、能实现过载保护、易于实现自动化等特点，使其在加工过程中具有较长的使 用寿命和高的工件成品率，成为重、大型产品的重要加工设备j 。 液压机有多种类型，但总体来讲，它主要由本体( 主机) 、操纵系统和液压系统 三大部分组成。其中，液压机的本体部分在液压机的重量上占有较大的比重，且 它是安装其它部件的基础，因此，液压机本体设计( 以下称液压机结构设计) 的合理 性，经济性对提高液压机的性能具有重要意义。传统的液压机结构设计主要是采 用材料力学”的简化计算方法，将液压机各部分简化为简支梁，这种计算方法不能 全面反映其应力、应变状态，无法确定应力集中的位置及大小，设计效果不甚理 想m 儿“。目前，随着有限元方法的推广使用，采用成熟的大型通用有限元分析软件 进行液压机的结构设计已成为一种趋势，但是，目前的液压机有限元分析方法还 主要集中在针对单一产品的设计上，缺乏系统性。同时，为提高液压机结构的合 理性、经济性而采用的优化设计手段研究较少且不够完善。 1 2 液压机技术发展历史、现状及发展趋势 十六世纪初，随着西方工业革命的产生和发展，现代化的大工业逐步取代了 工场手工业，具有悠久历史的锻造工艺也逐步由手工锻造转变为机器锻造。十六 世纪初，出现了第一批水力机械锤，1 8 3 9 年出现了第一台蒸汽锤。1 8 5 9 - 1 8 6 1 年 维也纳铁路工场出现了第一批用于金属加工的7 0 0 0 k n 、1 0 0 0 0 k n 和1 2 0 0 0 k n 液 压机。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特首先使用了锻造钢锭用的锻造水压机，随后在 1 8 8 7 1 8 8 8 年制造了一系列锻造水压机。因而，大钢锭的锻造工作逐步由使用锻锤 过渡到使用锻造水压机j 。 十九世纪末，由于帝国主义军备扩张的需要，锻造和模锻液压机有了迅速的 发展，德国先后制造了7 0 0 0 0 k n 、1 5 0 0 0 0 k n 、3 0 0 0 0 0 k n 模锻液压机。第二次世 界大战后，为了迅速发展航空工业，美国于1 9 5 5 年左右制造了两台3 1 5 0 0 0 k n 和 两台4 5 0 0 0 0 k n 大型模锻水压机；而前苏联在1 9 5 5 年到1 9 6 0 之间，先后制造了 四台3 0 0 0 0 0 k n 和两台7 0 0 0 0 0 k n 大型模锻水压机。此后，世界各国在锻造操作机 重庆大学硕士学位论文 与锻造液压机联动液压机、大型挤压液压机、液压机的自动测量和自动控制等方 法又有了许多新的发展，自动测量和自动控制技术在液压机上得到了广泛的应用， 机械化和自动化程度有了很大的提高。液压机经过一百多年的发展，已经形成了 锻造液压机、手动液压机、冲压液压机、一般用途液压机、校正液压机、压装液 压机、层压液压机、挤压液压机、打包液压机和专用液压机等多种类型，有力地 促进了各种工业的发展和进步，在工业生产的各个行业中应用越来越普遍l l j 。 二十世纪八十年代以来，随着微电子技术、新的液压技术的发展和应用，液 压机技术有了更进一步的发展。目前，用于金属的模锻成型液压机的最大标称压 力已达到7 5 0 m n 。众多机型采用了c n c 或工业p c 机来实现自动控制，使产品的 加工质量和生产效率有了极大的提高。从液压机的发展来看，其发展方向和趋势 主要有：高速、高效、低能耗；机电液一体化；自动化、智能化；液压元件集成 化、标准化等。在液压机的控制系统方面，目前主要有三种类型：一种是以继电 器为主控元件的传统控制方式，其控制功能简单，成本较低，适应性不强，主要 用于单机工作和加工精度要求不高的大批量生产；第二种是采用可编程控制器的 控制方式，它是在继电器控制和计算机控制基础之上开发出来的，目前应用最为 广泛。可编程控制器有较高的稳定性和灵活性，但在功能方面与工业控制计算机 相比有一定的差距；第三种是工业控制计算机控制方式，它是在计算机控制技术 成熟发展的基础上采用的一种高技术含量的控制方式，它以工业控制计算机或单 片机单板机作为控制单元，通过外围接口器件或直接应用控制阀实现对液压系统 的控制，同时利用各种传感器组成闭环回路。这种控制方式具有控制精度高、高 柔性、良好的稳定性、安全性和友好的人机操作性等特点，它代表了目前液压机 控制系统发展的方向。在液压机的主机和液压系统方面，国内外机型并无很大差 别，其发展方向主要是：油路设计趋向于封闭式设计，以有效地防止泄漏和污染： 并广泛采用了插装阀、叠加阀和复合液压元件，以使液压机结构紧凑、组装维护 方便【4 】。 1 3 液压机结构设计理论发展概况 液压机本体是液压机的重要组成部分，其重量约占整机重量的6 0 以上，液 压机本体的设计水平对液压机的制造成本、技术性能和使用寿命有着重要的影响。 然而我国液压机本体的整机设计水平还比较落后，尽管一些高等院校、科研部门 在一些重要的液压机本体设计中采用了有限元分析方法，但就大多数企业来讲基 本上还沿袭着传统的设计方法。由于缺乏功能比较完善的现代设计手段，导致了 液压机结构设计过于保守，设计周期长，效率低下。因此，开展液压机本体结构 设计的现代设计方法研究，开发液压机结构的专用设计系统，对提高我国液压机 2 1 绪论 的整体设计水平，增强企业的市场竞争力无疑是具有重要意义的。 液压机本体结构设计的理论和方法经历了经验设计、数值设计、优化设计和 专用设计系统等几个阶段。在经验设计阶段，是将液压机机架简化为平面钢架、 将横梁简化为简支梁，然后按照材料力学的方法进行强度、刚度校核。由于其力 学模型粗糙，计算结果与实际情况差异很大，为防止使用过程中出现破坏，设计 过程中的安全系数取得很大，这也直接导致了结构的笨重和材料的浪费，经济性 很差。二十世纪七十年代，进入了数值计算阶段，设计者把整个机架或单个的横 梁作为研究对象，将它们视为空间板梁组合结构，利用有限元方法进行结构的变 形、应力、应变数值计算，使分析结果的精确性和可靠性都大为提高。二十世纪 八十年代进入优化设计阶段，人们把结构优化设计思想引入液压机的设计中，使 设计过程由安全校核转变为结构寻优过程，基于有限元的优化设计方法极大地改 善了液压机结构的合理性，显著提高了产品的经济效益p j 。近年来，开始出现了液 压机结构有限元专用设计系统的研究，这种新技术要求集成有限元结构分析、优 化设计及参数化建模和软件开发等一系列技术，从而全方位地促进了液压机设计 技术的发展。 二十世纪九十年代以前，由于商用有限元分析软件还不够成熟，这时的有限 元分析计算主要是通过设计者编写专用程序来完成，要求设计人员必须具有很强 的理论功底和计算机编程能力。并且，其前后处理过程也非常繁琐，使得基于有 限元的液压机设计分析方法还主要是在少数专家、学者中应用。随着计算机技术 的飞速发展，成熟的商用有限元分析软件开始应用于实践。其中，大型通用有限 元软件a n s y s 因其强大的功能和良好的人机操作界面应用最为广泛。a n s y s 软 件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软 件。它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换。a n s y s 软件是第一个 通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、 美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个 通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用l o j 。自 此，采用a n s y s 进行液压机的结构有限元分析和结构优化设计进入了一个崭新 的、蓬勃发展的时期。 1 4 液压机有限元结构设计研究现状 1 4 1 现代设计方法 随着科学技术的发展，上世纪六十年代以来出现了各种现代设计方法。现代 设计是对传统设计的革新，是将传统设计中的经验法、类比法设计提高到逻辑的、 理性的、系统的设计方法。现代设计方法主要包括系统分析设计方法、创造性设 3 重庆大学硕士学位论文 计方法、可靠性设计、有限元设计方法、优化设计、模块化设计、动态分析设计 和反求设计等。现代设计方法与传统设计方法相比，实现了如下几个方面的转变： 由定性分析转变为定量分析、由手工设计计算转变为自动化设计计算、由各部分 独立设计转交为系统化设计、由安全性设计转变为优化设计、由静态分析转变为 动态分析等。近三十年来，现代设计方法在建筑、化工、铁路、航空、造船、汽 车、机床、自动控制系统及其它领域都得到了广泛的应用，并取得了显著的成效u j 。 1 4 2 国外有限元分析及液压机结构设计研究现状 有限元分析方法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着电子计算机的发展而迅速 发展起来的一种现代设计方法，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。它不仅可以用于工程中复杂结构的静态和动态分析，而且能用于复杂 的非线性问题和非稳态问题的求解，能够计算复杂零件的应力和变形，成为复杂 零件强度和刚度计算的有力分析工具”j 。 有限元分析方法因其广泛的适应性和计算的准确性受到了国际上先进工业国 家的重视。美国、日本、德国等竞相采用有限元方法对飞机、汽车等新产品进行 开发设计。如日本五十菱汽车公司在八十年代末将有限元分析应用于车底架设计 的各个阶段，取得了很好的效果。在压力加工方面，美国的a l t a n 等在金属成型过 程中采用有限元方法大大减少了加工时间和成本1 ； g o p h r a n i ，m r e z a , w h i t e , c h a r l e s s 等人采用有限元方法对闭合模的设计和精锻成型 提供了技术指导和理论参考u 副；c h c n o t , t r o n e l ，s o y r i s 等对热锻模中的热力耦合大 变形问题进行了有限元计算“。 在液压机的结构设计方面，如b e n ds n y d e r , l c f f o g c r s ，j i n am i l l c r , a l is a t e d 等对 液压机的控制系统组件( 支架、小齿轮组件、操纵机构、液压组件) 采用了p r o - e 建 模以确定其几何尺寸，用有限元方法对其结构进行了可靠性验证u ；s i n l l a s p ； m m a r k a , p d ；s i n h a , g l 等对某型1 0 0 t 液压机建立了基于应力、变形分析的三维结 构有限元模型，进行了结构的静、动态分析和实验对比研究，并以此为依据对其 结构进行了合理的改进l i “；g o l n i k , e r ；d i b n e r , y a ；z h i l i n , r a 等以1 2 5 m n 曲柄压力 机为例，考虑在单空间曲柄压力机设计中的相互接触问题，将压力机分为九个基 本部分和与之密切联系的五个子系统，通过有限元方法对机身进行了数字化，然 后以各部分的接触力和运动传递为基础进行了有限元数字仿真研究l l o j ：a k i o n a g a m a t s v , p a r ks o k - c h u , t e t s ui s h i u 等对一个c 型压力机进行了模态和动态分析， 将整机分成了3 2 个组件，建立了每个组件的运动方程并组合成总的运动方程，通 过分析每个组件的固有频率来分析系统的自然最高频率，通过时间一历程仿真分 析了压力机工作中的动态响应情况，并用灵敏度分析技术进行了结构的优化设计 u ；w g a r t hf r a z i c r , e n r i q u ea m c d i n a , w m m u l l i m 等对一个立式压力机采用现代 4 1 绪论 图形仿真工具进行了有限元建模和仿真研究叫；m ia l v e s , j m cr o d r i g u e s ，p a f m a r t i n s 以有限元流体公式为基础讨论了液压机工作中三维大变形过程的计算机建 模和计算过程，并将理论预测和试验结果进行了对比研究l l 。虽然，国外在液压 机结构设计方面也运用了计算机辅助设计和有限元分析方法，但其研究不多且不 是很深入。究其原因，主要是因为目前国外液压机的液压系统和整机结构相对已 比较成熟，其研究的重点主要集中在控制系统、微电子技术应用和压力加工全过 程计算机仿真及实验对比研究等方面。 1 4 3 国内有限元分析及液压机结构设计研究现状 在我国，由于原材料质量较差和制造工艺水平不高等原因使液压机本体结构 在液压机的设计中占有重要地位。因此，国内对于液压机的本体结构设计给予了 高度的重视，研究比较活跃。如王炳乐、刘开等对四柱液压机上横梁按照板壳组 合结构编制了有限元程序进行静力分析计算并应用于实践，取得了良好的经济效 益例；王光恒、姚新、陈群通过对传统单柱式液压机机身受力模式的分析及结构优 化，设计出一种新型的无腹板结构的单柱液压机y h 2 0 - 2 0 0 ，改变了腹板为主承力板、 单柱整体式焊接机身只能是小喉深的传统观念，在液压机腹部可以安装机械手，满 足了高速冲压生产流水线对专用设备的要求l 删；秦东晨、祁建中等对液压机的横 梁进行了结构有限元分析、优化设计、灵敏度分析和结构重分析，并应用于y 3 2 5 0 0 b 四柱液压机下横梁的结构设计，得到了满意的结果1 ；张元越、王启广通过 对液压机机身侧板建立力学模型进行了有限元计算，并对理论计算与有限元分析的 结果进行了对比，验证了初步设计方案的可行性q ；杨秀萍、宗升发、曹晓邮采用 有限元方法对液压机中的主液压缸、横梁和立柱进行结构设计，得到了详细的应 力、应交分布云图及应力集中和最大变形的位置，并根据分析结果优化了设计方 案，并重新进行了数值模拟，使设计达到了预期的要求1 ；刘强、付文智、李明哲等 在对三梁四柱式多点成形压力机机架结构研究的基础上建立了压力机机架有限元 模型和机架结构优化的数学模型，根据其受力状况，用三维实体单元进行了有限元 分析。并对其计算结果进行了优化l 叫；马立军对多点成型压力机机架进行了数值模 拟，建立了机架的三维有限元模型，得到了各部分的应力、应变分布图以及对应 的数据，并以此为基础提出了机架的改进措施“刘；张盛华、余心宏采用三维十节 点实体单元建立了西安重型机械研究所研究开发的1 2 5m n 双柱下拉式快锻液压 机三维有限元模型，分析了在静，动态载荷下，快锻液压机机架的应力和位移分 布规律，并对机架进行了模态分析，得到了机架的前十阶固有频率及相应的固有 振型等动态特性参数，为双柱下拉式快锻液压机的设计提供了可靠的理论依据。驯； 金红、沈良伟利用a n s a y s 软件对高速压力机组合机身进行了静、动态有限元分 析和优化设计，根据组合机身的特点建立了机身有限元模型，采用了降温法模拟 5 重庆大学硕士学位论文 组合结构的预紧力作用。在模态分析中采用了l a n c z o s 法列出了机身的前十阶模 态，分析了结构的动态特性。在优化设计中采用灵敏度分析技术确定了对目标函 数和状态变量影响较大的设计变量，利用a n s y s 的优化模块提出了七种优化方 案，较大地减轻了机身的质量“；商跃进、杨晋等采用有限元方法对6 3 0 t 液压机 工作缸进行结构设计，得到了缸体内压按1 0 0 次份的频率在4 q 1 5m p a 之问变化 时一个周期内的应力分布云图及应力集中位置，并根据分析结果。用第三强度理论 对工作缸进行了强度评价j ；刘茜、石维佳、董正身利用a n s y s 提供的a p d l 语言，将参数化设计引入有限元结构分析中实现有限元建模和分析的参数化，并 以框式液压机上横梁的应力分析为例给出了具体实现步骤j 。纵观国内的研究现 状可以看出，液压机结构的有限元分析研究较多，涉及的方法也较全面。不仅有 静态分析，而且有动态、模态分析，而且很多都进行了优化设计。这些研究使我 国液压机结构设计水平有了很大提高，取得了可喜的成绩。但依然还存在一些问 题：一是优化设计的方法和过程控制不够完善，很多优化设计还停留在人工调整 设计参数上，优化的准确性和效率不高；二是设计还主要集中在单一产品上，缺 乏系统性，一旦需要进行新产品开发或是进行系列产品的设计，必须重复有限元 建模、前后处理、优化设计、结果分析等多个步骤，重复工作量相当大，设计效 率不高。 1 4 4 基于a n s y s 的液压机结构有限元设计系统的研究现状 随着有限元分析软件使用的深入，针对同类产品、系列产品进行二次开发的 有限元专用分析程序在提高产品设计效率、避免不必要的重复性工作方面显示出 了强大的优势。近年来，设计者也开始着手进行这方面的研究。但目前这方面的 研究还不多，主要有：彭公孚、席长友说明了如何用a n s y s 内部语言a p d l 进行 二次开发，以及如何实现a n s y s 与v b 的连接p u j ；盛伟、谢配良、陈胜介绍了以 a n s y s 软件为平台，进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发，并应用该软件 对锻件塑性成形过程进行了模拟，为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制 定合理工艺提供了理论依据p u ；李朔东、马纲在充分利用a n s y s 模态分析功能 的基础上，结合大量振动台用夹具模态分析的科研课题和实际分析经验，提出编程 开发程序以自动生成a n s y s 宏代码并进行宏封装的思路，以及采用数据库管理结 果文件的办法，实现了分析过程模块化的自动完成p “。徐辉，徐燕申，侯亮用a p d l 语言对液压机各模块进行了二次开发，并用v c + + 语言对其进行封装，实现了液压 机结构的快速设计l j “。这些为数不多的专用设计软件结构也不够完整，通用性不 是很强。 6 1 绪论 1 5 课题研究的目的和意义 液压机的发展历史只有一百多年，但自液压机出现以来，其发展却非常迅速， 有力地促进了各种工业的发展和进步。因此，从液压机在制造业中的重要地位来 看，不断提高液压机的设计制造水平是现代工业生产发展的需要。 液压机本体在整个液压机重量中占的比重很大，其结构的合理性对节省材料、 减轻重量和提高液压机的使用性能具有重要意义。而我国液压机本体机架的设计 长期停留在传统的设计方法上，表现在人们主要是采用材料力学的理论，凭借设 计者的经验来选择设计参数，并借助一些手册、图表、经验数据来完成各种设计。 这种设计方法存在很多弊端：如设计周期长，准确性差，结构组件冗余度大，致 使我国的产品比国外同种规格产品重量大、成本高，严重削弱了产品的竞争力。 因此，采用先进的设计理论、设计思想来提高我国液压机的设计水平势在必行。 随着现代计算机技术的发展，各种现代设计方法与计算机技术结合产生的 c a d c a e 技术使得液压机的设计进入了一个崭新的阶段。近年来，采用a n s y s 有限元分析软件进行液压机的结构设计研究很多，也产生了不少成果。但是，其 研究大多是针对某一具体产品、某一具体型号来进行的。随着人们生活水平的不 断提高，金属制品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，产品的生产批量日益缩小。因此，在实际生产中，经常遇到的是系列产品 的设计工作，这些产品在结构上很相似，但由于工作环境、工作状况的不同使其 在结构上有所差异，在尺寸上形成了一个系列。在进行有限元分析设计中，如果 逐一进行建模、加载、求解、优化势必产生很多不必要的重复性工作，也会影响 设计分析的效率。有鉴于此，本课题拟以a n s y s 软件为平台，开发一个具有良好 可操作性、一定通用性的液压机类产品的专用设计系统来解决上述问题。同时， 该系统的开发应用也为实际设计工作提供了极大的方便，设计人员即使并不熟悉 a n s y s 软件也能通过点击一些按钮、输入一些参数等简单操作完成复杂的设计任 务。 1 6 本文研究的目标及主要内容 1 6 1 研究目标 以a n s y s 有限元分析软件为平台，以某厂生产的3 1 5 t 液压机上横梁为例， 开发一个附着在a n s y s 上的液压机有限元结构设计系统，以期提高设计的简捷 性、高效性和准确性。 1 6 2 研究的主要内容 研究和借鉴其它a n s y s 有限元二次开发专用设计系统经验，提出基于 a n s y s 的液压机有限元结构设计系统的开发思路。研究不同类型液压机结构特点， 7 重庆大学硕士学位论文 建立设计系统的基本框架。 研究有限元和优化设计理论，提出适合于液压机结构设计的有限元算法和 优化算法，为系统的开发奠定理论基础。 借助于a n s y s 的a p d l 参数化设计语言，建立液压机专用分析设计系统 的各组成部分。即菜单和参数输入对话框子系统；前处理、后处理子系统；优化 设计子系统；以及为提高系统的可操作性而开发的在线帮助系统。 以某厂生产的上横梁为例，讨论此专用设计系统的具体开发方法和步骤， 并得到相关结果以验证系统的可靠性和可行性。 研究没有偏载( 正载) 、x 向偏载、z 向偏载三种工况下载荷的分布情况及 加载方法，为载荷的施加提供依据。同时，揭示三种不同工况下液压机机架的应 力及位移分布规律，并对结果进行比较。 8 2 液压机结构有限元分析及优化设计理论 2 液压机结构有限元分析及优化设计理论 2 1 液压机结构有限元分析 2 1 1 结构有限元法概述【8 h 有限元分析方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代设计计 算方法。它是二十世纪五十年代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，它是将弹性理论、计算数学和计算机 软件有机结合在一起的一种分析技术。其理论基础主要是虚功原理和能量变分原 理，其思想核心是离散化和分片插值。有限元法在理论推导中采用积分方法来建 立系统的代数方程组，用一个连续的函数来近似描述每一个单元的解。由于内部 单元的边界是连续的，整个问题的解就可以通过单个的解连接和组装起来，这使 得具有复杂几何条件、复杂边界条件或具有某些非线性特征的求解问题成为可能。 五十多年来，有限元的理论和应用得到了迅速的发展，其应用领域已由弹性 力学平面阀题扩展到板壳问题、空间问鼹；由静力平衡问题扩展到稳定性问题、 动力问题和波动问题；分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复 合材料等；解决问题的领域也从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领 域。目前，有限元分析方法在机械、建筑、矿山、冶金、材料、化工、能源、交 通、电磁甚至日常生活用品设计分析的各个领域均得到了广泛的应用。 2 1 2 有限元方法的解题步骤8 h 1 0 1 1 3 4 h 3 6 】 下面结合液压机结构介绍有限元解题的基本步骤和方法。 结构离散化和选择单元类型 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 单元之间用节点相互连结，单元节点的设置、性质、数目等，根据问题的性质、 描述变形形态的需要和计算精度而定。有限元法中分析的结构已不是原有的物体 或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。用有限元 分析计算所获得的结果是近似的。如果划分单元的数目足够多而合理，则所获得 的结果就与实际情况接近。 对于液压机结构而言，由于其结构形体较复杂，因此按照空间问题求解，选 择的单元类型是三维十节点四面体等参单元s o l i d 9 2 。 单元特性分析 即用固体力学理论研究单元的性质，从建立单元位移模式入手，导出计算单 元的应力、应变、单元刚度矩阵和单元等效节点力的计算公式，建立单元节点力 与节点位移之间的关系。 9 重庆大学硕士学位论文 1 ) 选择位移模式 在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法。采用位移法时， 物体或结构物离散化后，就可以把单元的位移、应交和应力等物理量由节点位移 来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描 述。在有限元法中，通常将位移表示为坐标变量的简单函数，称为位移模式或位 移函数。液压机结构所选的四面体十节点等参单元s o l i d 9 2 如图2 i u 纠 z 了 图2 ，1s o l i d 9 2 四面体单元 f i 9 2 1t e t r a h e d r o n e l e m e n t o f s o l i d 9 2 乏 在推导四面体单元时，常用到体积坐标( l l ，k ，b ，l 4 ) ，其四个坐标的定义 为四面体内任一点s 与四面体围成的四个子四面体的体积与原四面体的体积的比 值。即： fl 、= y 啦| y m il 2 = 珞犯圪船 ll 3 = ( 2 1 ) l l , = 四面体体积具有如下性质： r x = 二厶而 l： jj ，。善l i y j i ：= 三厶毛 ( 2 2 ) l 厶+ 岛+ 厶+ l 4 = l 其中；x , y ，z 为等参元的整体坐标( 直角坐标) ；x i ，y ，毛为等参元节点i 的局部 坐标四面体十节点等参元的形函数为； 对于角点i 、j 、k 、l 有：m = 厶( i = i ，j ，k ，l )( 2 3 ) 对于边中节点有；= 4 l ，l ，= 4 l 1 l x ，n o = 4 l ，l x ，= 4 l l l i 1 0 2 液压机结构有限元分析及优化设计理论 n q = 4 l j l l ，n r = 4 l x l l 由此可得四面体十节点等参元的位移函数为： m ( l l ( 厶 ( 厶 l 岛 l 丘) 乞) 乃 l k ，l 0 z t ( 2 4 ) ( 2 5 ) 令善= 工j ，7 = l ，f = k , 1 - 善- r 一f = k ，作坐标变换后式2 5 可写成： 厂甜= j ( 亭，1 7 ，f ，l 一手一r l f ) fi 二i v = n s ( 善，r ，f ，1 一手一，7 一f ) ( 2 6 ) i。： lw = n t ( 孝，r l ，f ，1 一善一，7 一f ) 其中：蚝，。，节点i 的位移 根据选定的位移模式，即可导出单元位移与节点位移的关系( 位移函数) 如下： = 【材vw 】7 = 【弦)( 2 7 ) 式中：单元体内任一点的位移列阵 【l 单元形状函数 埘 单元的节点位移列阵 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，应用弹性 力学中的几何方程和物理方程来建立单元节点力和节点位移的关系式，从而导出 单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 a 根据位移插值函数( 式2 7 ) ，由弹性力学应力应变的关系，可计算出节点位 移表示的单元应变为： 叠) = 陋 其中：叠 单元内任一点的应变矩阵 8 = 1 8 ls ys | ? 廿y 辟y 4 1 陋】单元应变矩阵，嘲= 田- b 2 b m l ( 2 8 ) ( 2 9 ) 重庆大学硕士学位论文 e 2 ( i = 1 ，2 ，m )( 2