（机械工程专业论文）20mn锻造液压机有限元结构分析与优化设计.pdf

学位论文的主要创新点 删 fy 18 柏d 岑岑 一、下横梁按照偏心的方向不同，分为两个载荷步进行分析，通 过对两个分析结果的比较，得知载荷在液压机下横梁的y 方向偏心时，一 产生的应力、合位移略大，但在工程计算时可以忽略这种差异，认为 在两个方向上的偏心是等同的。 二、将液压机下横梁各部分按照结构特点归类，分别选作设计变 量，使下横梁的每个部分都参与优化过程。通过优化设计，使下横梁 整体应力和挠度值分布更趋合理，质量达到最优。 摘要 液压机是利用液捱传动技术进行压力加工的设备，是制品成型生产中应用最 广的设备之一。液压机本体是液压机的重要组成部分，其设计的重点是机架设计， 这是由机架的受力和结构特点而决定的。目前我国液送机机身结构设计很多采用 的仍然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，但也存在很多弊端。 本文以某型号的2 0 m n 锻造液压机为研究对象，通过对液压机本体结构及其 各部分受力特点的分析，应用三维造型软件p r o e 建立实体模型，并用有限元分 析软件a n s y s 针对中心载荷和偏心载荷两个工况对机架进行有限元静力结构分 析，从而了解各部位的受力、应力集中情况，达到校核各部分强度和刚度的目的。 此外，由于液压机工作过程中频繁的加载卸载，使机身有一定的振动，通过对机 架整体进行模态分析，提取前六阶固有频率下的振型，从而评价结构的动态特性 是否符合要求，避免工作过程中产生共振。最后，在以上分析的基础上，以质量 为目标，在满足整体强度、刚度的前提下，对下横梁进行优化设计。优化后的设 计方案达到了降低材料消耗、节约成本的目的，同时随着质量的减轻，设备的包 装运输、调试等也更加方便。 本文以某型号的2 0 m n 锻造液压机为对象，总结了一套完整的液压机结构分 析及优化方法，将所学的理论知识应用于实践，使自身对课题的理解更加深刻， 同时解决工程问题，给企业带来实际利益，也对以后的工程分析提供方法和依据。 关键词：锻造液压机有限元分析模态分析优化设计参数化建模下横梁 ；组扭苞移 a b s t r a c t f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s si sw i d e l yu s e di np r e s s u r ew o r k i n gb yi t sh y d r a u l i cd r i v e s y s t e m n eb o d yo fah y d r a u l i cp r e s si st h ek e yc o m p o n e n t b e i n gd e c i d e db y t h e b o d y sm e c h a n i ca n ds t r u c m r a lp r o p e r t i e s ，t h ed e s i g ne m p h a s i si so nt h ef l a m ew h i c h n e a r l yt a k e sa l lw o r kl o a d s a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no fh y d r a u l i cp r e s sb o d ym o s t l yu s e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c sm e t h o d ，p r a c t i c em a k e sp e r f e c t , t h i sm e t h o dh a sp r o p e r r e l i a b i l i t y , a l s o ，h a sw e a k n e s st o o t h ep a p e rr e g a r d e dt h e2 0 m n f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sa st h er e s e a r c ho b j e c t f i r s t ， a n a l y z i n gt h ef o r c eo ft h ef l a m e ，a l s ot h em o d e li sb u i l tb yp r o e ，t h e nt h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y si su s e dt or e a l i z es t r u c t u r a la n a l y s i sa td i f f e r e n to p e r a t i o n p o i n t s b yt h i s ，p r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fn o d e sw i l lb ek n o w n ，a n dt h es t r e n g t ha n d s t i f f n e s so fc o m p o n e n t sw i l lb ec h e c k e d b e s i d e s ，b e c a m eo fv i b r a t i o nd u r i n gt h e f r e q u e n tl o a d i n ga n du n l o a d i n g ，i ti se s s e n t i a lt oa n a l y z em o d eo ft h ef r a m e t h r o u g h o u tt h em o d e la n a l y s i s ，t h ef i r s t6o r d e rm o d e su n d e rt h en a t u r a lf r e q u e n c y a r ee x t r a c t e d , a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ec a nb ee s t i m a t e d a tl a s t ，o nt h a tb a s i s ， t h eu n d e r - c r o s s b e a mi so p t i m a ld e s i g n e di nr e a s o nt om e e ti n t e n s i t ya n dr i g i d i t y t h e s i m u l a t e dr e s u l t sf o rt h eu n d e r - c r o s s b e a ms h o wt h a tt h em a s sc a no b v i o u s l yb e r e d u c e da f t e ro p t i m i z e d t h ep a p e rr e g a r d e dac e r t a i nm o d e l2 0 m nf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sa st h er e s e a r c h o b j e c t ，s u mu pam e t h o dt ot h ep a r a m e t r i cd e s i g na n do p t i m i z a t i o no fh y d r a u l i cp r e s s 1 1 1 er e s u l t so ft h er e s e a r c hn o to n l ya p p l yt h e o r yk n o w l e d g et op r a c t i c eb u ta l s om e e t a c t u a ln e e do fe n g i n e e r i n gp r o j e c ta n dt a k ea c t u a lp r 0 矗tt oc o m p a n y k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ；f e a ；m o d a la n a l y s i s ；o p t i m u md e s i g n ；p a r a m e t r i c m o d e l i n g ；u n d e r - c r o s s b e a n l 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外发展现状及展望2 1 2 1 锻造液压机的国内外发展现状及展望2 1 2 2 有限元分析应用于液压机设计的国内外现状3 1 3 有限元分析软件a n s y s 简介5 1 4 课题的研究内容及意义6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 课题研究的意义6 1 4 3 课题研究的内容7 第二章有限元法的基本理论9 2 1 有限元法的概念9 2 2 单元形状的选则9 2 3 有限元数学模型1 0 第三章中心载荷下机架静力结构分析1 7 3 1 液压机本体关键件描述及其设计参数1 7 3 2 建立实体模型的方法1 9 3 3 上横梁有限元分析2 l 3 3 1 有限元模型的建立2 l 3 3 2 施加约束和载荷2 2 3 3 3 计算与结果分析2 4 3 4 下横梁有限元分析2 6 3 4 1 有限元模型的建立2 6 3 4 2 施加约束和载荷2 7 3 4 3 计算与结果分析2 8 3 5 立柱有限元分析3 0 3 5 1 有限元模型的建立3 0 3 5 2 施加约束和载荷3 1 3 5 3 计算与结果分析3 1 3 6 本章小结3 3 第哩矗德窑载籍千桃黎南男季券菥笃捭套坼：8 4 2 偏心载荷下上横粱有限元分析3 6 4 2 1 有限元模型的建立3 6 4 2 2 施加约束与载荷3 7 4 2 3 计算并分析结果3 8 4 3 偏心载荷下下横梁有限元分析3 9 4 3 1 有限元模型的建立3 9 4 3 2 施加约束与载荷4 0 4 3 3 计算并分析结果4 l 4 4 偏心载荷下立柱有限元分析4 5 4 4 1 有限元模型的建立4 5 4 4 。2 施加约束与载荷4 5 4 4 3 计算并分析结果4 6 4 5 本章小结4 8 第五章液压机架模态分析一4 9 5 1 模态分析简介4 9 5 2 模态分析理论；5 0 5 3 液压机架的模态分析5 0 5 3 1 前处理5 0 5 3 2 施加边界条件并扩展模态求解5 2 5 3 3 查看并分析结果5 2 5 4 本章小结5 6 第六章液压机下横梁优化设计5 9 6 1 优化设计概述5 9 6 2 优化设计的数学模型6 0 6 3 下横梁优化设计6 l 6 3 1 选择下横梁的优化变量6 2 6 3 2 分析文件的生成6 3 6 3 3 优化设置6 4 6 3 4 优化结果分析6 5 6 4 本章小结7 0 第七章结论与展望7 l 7 i 全文总结7 l 参瓣赁是等：；3 在读期间发表的学术论文及科研情况7 7 致谢7 9 i v 1 i 引言 第一章绪论 液压机是一种利用液体压力能来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机器 【。与其他压力机相比，它的压力和速度可在较大范围内无级调整，可以在任意 位置输出全部功率并保持所需压力、结构在置灵活。因此，液压机在我国国民经 济的各个领域，在制品成型生产中尤其是塑性加工方面得到了广泛的应用【2 】。随 着现代工业的发展，液压机在机械、电子、汽车、航空航天领域得到更加广泛的 应用，尤其是随着大型锻件的需求量逐渐增加，液压机的公称压力也越来越大。 这无疑对设计人员提出了更高的要求。 液压机本体占液压机总重量的6 0 以上，因此在液压机设计过程中，最重要 的部分是本体设计。液压机本体设计的水平决定了设计周期的长短，材料用量的 多少，进而决定了液题机的设计、生产成本和市场竞争力。液压机本体部分包括 机架、活动横梁、上下砧板、液聪缸( 包括主缸、回程缸) 及其他的辅助装置。 其中机架是液压机主要的受力部件，这是由机架的受力和结构特点决定的。 目前我国液压机机身结构设计大多仍是沿用传统材料力学简化计算与经验 设计相结合的方法。虽然实践证明具有一定的可靠性，但存在很多的弊端，如： 设计周期长、材料用量大，致使产品重量大，不便于安装和运输，丽且成本高、 效益低，削弱了产品竞争力。设计水平的落后，很大程度上影响我国的锻造水平。 随着计算机技术的迅速发展，很多工程问题有了更好的解决方法。各种应用软件 的应用，给结构设计带来便利【3 】。 有限元法是当前工程技术领域最常用、最有效的数值方法，已成为现代工程 设计技术不可或缺的重要组成部分【4 】，是常用的c a e 工具之一。a n s y s 软件是 一个功能强大的有限元计算分析软件包【5 】。该软件可用在各类计算机和操作系 统中，并可与多种先进的c a d 软件进行数据交换，利用自身的数据接口，可以 将c a d 数据导入a n s y s ，并进一步划分网格求解。这样就克服了在a n s y s 不 易建模的困难。 本文对某型号的2 0 m n 锻造液压机机架进行有限元静态结构分析，从而得到 机架各部分在公称压力下各个工况的应力集中和位移情况，达到校核机架强度的 目的；对机架整体做了模态分析，得到机架的固有振型，避免与工作频率发生共 振，设计加工提供可靠数据。最后，在满足强度、刚度要求的前提下进行优化设 天津工业火学硕七学位论文 计，以期达到节约材料，降低成本，给企业带来切实利益的最终目的。 1 2 国内外研究现状及展望 1 2 1 锻造液压机的国内外发展现状及展望 早在1 8 9 3 年世界上就研制成功了第一台1 2 0 m n 锻造水压机，液压机用于工 业的历史可能更早，特别是从1 9 3 4 年以后，各国为了发展航空航天工业，研制了 许多巨型液压机，德国在二战前就建造了3 台1 5 0 m n 液压机和一台3 0 0 m n 液 压机，后来美国建造了两台3 1 5 m n 和两台4 5 0 m n 液压机，原苏联建造了4 台 3 0 0 m n 和两台7 0 0 m n 液压机1 6 j 。 解放前我国基本没有自己的锻造工业，锻造工艺都停留在手工业水平。在解 放后的第一个五年计划期间，太原重机厂安装了一台日本制造的1 0 m n 锻造水压 机1 7 j 。1 9 5 5 年，机械工业部第三局对一台日本制造的3 0 m n 锻造液压机进行改造 设计。1 9 5 7 年到1 9 5 8 年间，太原重机厂、第一重机厂、第二重机厂、齐齐哈尔 钢厂等相继从捷克和苏联进口了一批水压机。2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代开始了 我圜自主研发锻造液压机的热潮。上世纪6 0 年代 太重”和“沈重就为马鞍 山钢铁厂研制了车轮和轮箍的生产线，其成形设备中有3 0 m n 及8 0 m n 的模锻液压 机。后来第一重机厂成功研制了我国最大的3 0 0 m n 模锻液鹾机，第二重机厂也 研制了1 0 0 m n 的多向模锻液压机。到2 0 世纪7 0 年代中期，国内部分科研院所与 企业合作制造出我国第l 台2 0 m n ( 2 0 0 0 t ) 快锻液压机，装备于四川长城钢厂，但由 于对快锻液压机运行机理的研究水平在技术上还未成熟，且受当时基础元器件的 局限，该设备未能解决液压冲击造成的振动和噪膏，无法正常应用于生产，未能取 得成功1 8 】。到上世纪8 0 年代后期，很多民营企业也开办了锻造工厂，带动了我 国锻造装备业的发展。1 9 9 1 年兰石联合院校进行快锻液压机的开发。成功研发8 心快锻液压机组产品，这标志着我国在自由锻造设备方面，开始进入了机电液一 体化的时代阴。 近几年，我国逐步对原有的水压机进行重组、改造，与锻造操作机联动，改 造加热炉和热处理炉等。大型自由锻件生产的主要问题是盲目无序发展大中型自 由锻液压机、重复建设较严重、辅助设施的机械化、自动化水平低和液压机操作 系统落后。我国现有自由锻液压机的等级和数量，已进入世界前列，但锻件产量和 质量与国外先进工业圜家相比，存在一定差距，现有锻造液压机的生产能力没有 充分发挥【l o 】。因此对现有设备进行技术改造是提高生产能力的有效途径，在技术 水平上，将进一步提高控制精度；在锻造速度提高的同时减小液压冲击，使系统 运行更加平稳。 高压、高速是液压技术的发展方向之一，随着压力的提高，能耗控制将更加 重要，己成为国际关注的焦点之一，相关的理论与实践也日趋成剿u 】。随着航空 航天、兵工业、钢铁、电力等行业的迅速发展，国际市场对各种大型设备的需求 量越来越大，这就要求锻造液压机的公称压力越来越高，迄今为止，世界上可锻 造的最大钢锭达5 7 0 吨。随着液雒元件与密封技术的进步，基于液压油与乳化液 相比所显示出的传动平稳等优势，液压油将逐渐取代乳化液【1 2 1 。在结构上，下拉 式液压机将占据越来越大的比重。控制系统的数控化及液压系统的集成化能够提 高生产效率。 1 2 2 有限元分析应用于液压机设计的国内外现状 目前我国的液压机生产行业中，液压机本体设计大多仍是采用传统力学方法 进行计算、校核，为了保证强度和冈l j 度要求，都取较大的安全系数。虽然这种方 法与设计人员的经验相结合，有一定的可靠性，但是也不可避免的存在弊端，如 用材量大，筋板的布置不尽科学，设计周期也偏长，这就导致产品成本高，企业 效益低，并且传统的力学简化不能很好的掌握应力集中的部位和程度。 有限元分析软件以现代计算机技术为基础，给设计工作提供了极大的便利， 使设计周期大大缩短，在生产实际设备之前通过实物仿真分析，提早认识应力集 中，位移程度等，避免了机器使用后出现问题再维修带来的麻烦，这也意味着企 业制造成本的降低【1 3 1 。a n s y s 的优化设计功能能使机身强度刚度满足设计要求 的前提下，结构更紧凑，质量更轻便，材料更节约。 。 目前国内外已经有很多学者、研究设计人员对各种机械结构进行有限元分 析、优化等。n k r i m b a c h 1 4 】将数值模拟引入到液压机系统的概念设计中，结合 参数与功能之间的映射关系，建立了一个可以获得设计参数以及对其进行优化的 简易分析模型：o l v a d e r j 【1 5 】结合多目标遗传算法与响应面建模技术，对两种液 压机驱动系统优化方案的科学性进行了研究，基于帕累托最优解集与灵敏度分 析，比较了不同参数对优化方案的影响；h a n c s t l 6 l 针对腿制承受平面应变的轴 对称工件模具的快速设计，提出了一种基于刚粘塑性有限元模拟和形状优化技术 的优化方法【l n 。 燕山大学的孙建军通过对2 0 m n 快锻液压机的工作缸、固定横梁、机架的静 力结构分析，得到工作缸在工作状态下的应力、变形曲线，固定横梁在主要工作 方向上的应力和变形分布规律，机架上下横梁、左右立柱和过渡圆角在工作状态 下的应力及变形规律，论文的上述工作为确定2 0 m n 快锻液珏机关键部件的合 理、可行的结构型式提供了必要的定量分析依据【1 8 】。燕山大学的杨建民通过对机 身整体计算模型和组合计算模型、稀疏网格模型和加密网格模型的计算结果比 一夏雨而两霸丽狂丐西石f 一 较，最终得出全预紧组合机架液压机的整体性，受各部件几何形状、预紧力以及 载荷工况等多种因素的影响的结论，且压机具有较好的整体性，满足使用要求【1 9 1 。 合肥工业大学的鲍新强对r z u 8 0 0 h m 锻压机框架进行了结构分析，得出了其最 大应力，应变，以及最大变形值，并根据该锻压机的一些技术指标，检验了其在 强度和刚度上的可靠性；对r z u 8 0 0 h m 锻垤机框架进行了模态分析，得出了该 锻压机的前十阶固有频率，并根据锻压机的一些技术指标，检验了其动态特性； 根据强度条件和刚度条件对r z u 8 0 0 h m 锻压机上横梁进行了优化设计，并对优 化后的锻压机模型进行了动态特性的检验【2 0 1 。刘强、付文智等在三梁四柱式多点 成形压力机机架结构研究的基础上建立机架有限元模型和优化数学模型，根据受 力状况进行分析，并对计算结果进行优化，达到节材的目的，同时对同类设备的 分析优化提供了参考方法【2 。南京理工大学的王力波采用p r e s t l 7 9 预紧单元模 拟预应力组合机架，经对机身静态有限元分析得出整个机身及部件的应力分布比 较均匀，在应力许用范围内，大部分结构处于低应力状态，存在很大的优化空间， 只在一些局部过渡结构和约束处，特别是拉紧螺杆的螺母作用处存在局部应力集 中：强度满足设计要求，挠度都在许用范围内，整体的刚度很好等的结论；运用 b m c z o s 法对优化改进后的预应力组合机架结构进行有预应力的模态分析，提取 前十阶模态进行动态性能分析和评估，可以得出该机整体刚度和质量分布较为均 衡，无明显的薄弱部位和过剩部位，这有利于机架的动力性能，具有一定的理论 意义和实际应用价值【2 2 1 。中南大学的王亚军对八万吨巨型模锻压机夹紧拉杆最佳 预紧力做了理论研究及仿真分析，得出夹紧拉杆最佳预紧力与工作载荷之间的关 系，并通过仿真试验修正了理论值；校核了八万吨巨型模锻罐机在中心载荷工况、 偏心载荷工况下整机及各个关键件的强度和刚度，研究成果为c 型板组合式机 架的设计制造提供了理论依据【2 3 1 。 以上研究通过对各种压机的有限元分析，在校核各种工况下的结构强度、刚 度的前提下，对应力集中情况和应变规律进行掌握。对结构的动态性能进行研究， 并进一步进行结构优化。为医机整体结构设计提供理论依据。很多研究者也针对 某种研究方法进行探讨，如网格划分方式、单元类型选择，机架的整体研究与组 合机架研究的优缺点对比等，通过对不同条件下的研究方法的尝试，为有限元分 析提供更科学的方法，对将来的研究者有一定指导意义。 国内液压机结构有限元分析已经很多，各种分析、优化的文献散见于各类论 文之中，因为液砸机大都结构庞大，受计算机资源的限制，给整体分析带来困难， 因此也有很多人只针对某一关键件进行分析和优化。 1 3 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软 件，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、国防军工等一般工业及科学研究中1 2 4 。a n s y s 软件能与大多数c a d 软件 实现数据共享和交换，它是现代产品设计中的高级c a d c a e 软件之一f 2 5 】。其主 要功能包括结构分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、优化设计等。结 构分析是有限元分析方法应用最广泛的一个领域。结构分析中的基本未知量是节 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 能实现的结构分析有静力结构分析、结构动力学分析、结构非线性 分析等。 本文主要对2 0 m n 锻造液压机机架部分进行静力结构分析和结构动力分析。 图1 1a n s y s 分析的一般步骤流程图 一一 砑珂亚灭蕊而哥丽丽及一 a n s y s 软件与任何一个有限元软件一样，其分析计算过程包括建立模型、施 加载荷、求解计算、数据后处理【2 6 1 。 ( 1 ) 前处理阶段 a n s y s 前处理模块主要包括建模和网格划分。建模的两种方式是自上到下 和自底向上。程序提供的四种网格划分方法为：自由网格划分，映射网格划分， 扫略划分，混合网格划分。通常，采用扫略方式形成网格是一种非常好的方式，对 于复杂几何实体，经过一些简单的切分处理，就可以自动形成规整的六面体网格， 它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性【2 7 】。 ( 2 ) 加载与求解 用户可以施加边界条件和载荷，然后开始有限元求解。 ( 3 ) 后处理 当a n s y s 完成计算之后，可以通过后处理器观察结果。a n s y s 的后处理 包括两个部分：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 t 2 6 ) 。 通用后处理模块可以用来查看整个模块被选定的部分在某一子步或时间步的结 果。时间历程后处理模块用来态看某一时间步或所有时间步内的计算结果，可以 得到结果数据对时间或频率的关系曲线及列表。a n s y s 的一般分析步骤如图1 1 所示。 1 4 课题的研究内容及意义 1 4 1 课题来源 课题来源于天津天锻压力机有限公司设计生产的型号为t h p l 0 2 0 0 0 g 的 2 0 0 0 0 k n 四柱锻造液压机，主要适用于对加热后的坯料或钢锭进行塑性加工变 形，完成墩粗、拔长、冲孔、扩孔等各种锻造工艺，达到工艺所要求的形状和尺 寸。 1 4 2 课题研究的意义 随着计算机技术的飞速发展，很多软件的应用为克服结构设计周期长，准确 性不高，用材量大，成本高等缺陷提供了行之有效的方法。上世纪5 0 年代中期 至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，到6 0 年代宋7 0 年代初出现了大型通 用有限元程序，它们以功能强大、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而成为 结构工程强有力的分析工具。本课题通过对液压机机架建模，并用a n s y s 对其进 行静态分析和模态分析，在满足强度的前提下，提出优化方案，对比优化前后的 应变量、位移量。优化后的设计方案达到了降低材料消耗、节约成本的目的，同 时使设备的包装运输、调试等更加方便。 1 4 3 课题研究的内容 由液压机机架是液压机的主要受力框架，本课题主要的研究内容是： ( 1 ) 分别在中心载荷和偏心载荷两工况下，对液压机机架进行静态结构分 析。即对液压机架的三个组成部分上横粱、下横梁和立柱在两个工况下分别进行 有限元静态结构分析，综合评定各部分的静态性能，抗偏载能力等。 ( 2 ) 对机架整体进行模态分析，以对机身的动态性能有直观的了解，求得 结构的各阶振型，从而避免其固有频率与工作频率产生共振，同时评价结构的动 态特性是否符合要求。 ( 3 ) 以前面的静力结构分析和模态分析，对机架中的薄弱环节或强度裕量 较大的部位进行优化设计，改善力学性能并减轻质量。然后对优化后的模型重新 进行静力结构分析，判断优化是否合理、可靠。 。 8 第二章有限元法的基本理论 2 1 有限元法的概念 假想把弹性连续体分割成不同大小和种类的许多小区域，这些小区域被称为 有限单元。利用不同领域的要求，推导出每一个单元的作用力方程，组合整个系 统的单元，构成系统方程，最后求出系统方程的解，这就是有限元法的基本原理。 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，它是将弹性理论、计算数学和计 算软件有机结合在一起的一种数值分析技术。由于它的灵活、快速和有效性使其 迅速发展成为求解各领域数理方程的一种通用近似计算方法。目前在许多学科领 域和实际工程问题中都得到广泛的应用【2 引。 2 2 单元形状的选则 用有限元法求解问题，首先就是要划分单元、编单元号与节点号。在有限元 分析过程中，对不同问题，需要用到不同特性的单元，单元选择正确则能够准确 全面的反应模型的实际受力及变形情况，单元选择不当，直接影响到计算是否能 够进行和结果的精度。在选择单元时，要以全面反映结构的力学特性为前提，同 时尽可能选择简单的单元，节约计算时间。单元形状一般分为杆单元、梁单元、 平面单元( 三角形单元、矩形单元、曲边四边形单元) 、实体单元( 常用的有四 面体单元、六面体单元、不规则六面体单元) 、壳体单元等。几种常用的单元形 状如图2 1 所示。 图2 一lc a ) 三角形单元嘞曲边四边形单元( c ) 四面体单元( d ) 六面体单元 根据模型的结构特点，本文选择8 节点六面体单元。 2 3 有限元数学模型 ( 1 ) 单元刚度矩阵的计算 下面用等参元法求8 节点六面体的刚度矩阵。 任意直边六面体单元的整体坐标与局部坐标如图2 2 所示。 ( a ) 整体坐标( b ) 局部坐标 图2 - 2 任意直边六面体单元的整体坐标与局部坐标 变换函数插值函数 取如下插值函数作为将图2 - 4 ( b ) 中的立方体映射成图2 - 4 ( a ) 中的任意直边六 面体的变换函数，即 x = 【】 五) ( 2 - 1 ) 置 = 【五 咒z lx 2y 2z 2毛气r j ( 考，玎，f ) = 1 ( 1 + 磊毒) ( 1 + 叩，1 7 ) ( 1 + f t 筝) ( i = l ，8 ) 式中( 茧，叩，f ，) 为第f 节点的局部坐标值；【n 】为插值函数矩阵。 求位移函数 u = 【”) 。 式中 u = p y w r 1 0 o1 0 l( 2 2 ) 8 j ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) o 虬o 帆o 0 o o 幔 o m o m o o 0 o m o m o m o 0 = 司l y ，【 = 中 0 划 p p 。) = 【v l m 吒屹v lw 8 】r ( 2 - s ) 艿 为单元节点位移列阵； l 1 0 0 2 0 0 s 00 l 【】= 10 1 0 0 20 0 8 0 l l 0 0 l 00 2 0 0 n 8l 式中l ，8 见式( 2 3 ) = g x 8 y s = 1 。 f 以 o u o x 加 咖 挑 a z 锄却 - - - t - 一 钞缸 加细 - - - 4 - - - - - 一 岔砂 跏o u 一+ 一 反瑟 导数之间的变换式为 lo0o 00o0 o oo0ol0oo 0 0o0oo oo 0l 0lol0 oo0 0 0 0 00 ol0l0 0olo ool0 o ( 2 - 6 ) 锄一劫加一钞加一如加一缸加一钞加一昆撕一础跏一砂伽一勃 式中 阴= 盯= 天津t 业大学硕士学位论文 = 主 对位移表达式( 2 4 ) 对局部坐标微分，得 1 2 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 锄一西加一卸跏一西加一鸳加一卸加一西跏一鸳跏一细挑一西 o 0 ， 0 ， o (罨一缸加一砂伽一瑟加一苏加一钞卸一如挑一f15跏一钞伽一瑟 瑟一鸳昆一却钯一霹砂一篮钞一卸砂一西鱼凿锄一却缸一西 r_j 以以以 2 2 2吒以以正以以 。l o 盟oo 西 o 盟oo d r o 盟o o 把( 2 - 7 ) ，( 2 9 ) 式代入( 2 6 ) ，将前面三个矩阵相乘，得到 h = 吲 式中 1 3 0 0 o a 8 鸳 a 8 d r 姒 霹 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) h屹；吒 弧一鸳烈一卸弧一霹o o o o o o o o o o o o 烈一鸳盟卸鹕一霹 o o o 盟西盟卸盟霹o o o 加一鸳加一卸跏一西加一鸳加一却加一西跏一西跏一卸挑一霹 式中 【b 】= 以l 0 0 以l 0 以。 ： 0 0 以： 0 以： 3 0 0 以l o0 以，以， 0 以1 1 3 3 0 o o o 0 以： 0 以2 以： 0 o 0 0 应力与应变的关系一物理方程 仃 = p 1 4 0o 0 0 j 钝j n o0 j n ) n ：， o n , 鸳 帆 o r o n , 西 o o o 0 0；0 盟o 刁亏 盟o a r l o n , o 0 0 o a 8 西 姒 c o r i a n , 智 o 0 o o o o o o 0 o n , 鸳 弧 a r l 弧 西 ( 2 一l i ) ( 2 - 1 2 ) o o厶o厶厶 一 t ，1 j t ， l、， i o厶o九厶o o o oo 盟鸳鹏一卸盟霹o o 盟凿盟卸盟霹o o o o o o o o o 姒一西叭一铆叭一西 o o o 盟西盟卸盟西o o o 烈一鸳盟卸盟西o o o o o o 【d 】- 揣 l l l0 1 一乒l 一 l j l l 一 1 对称 o 0 1 - 2 z 2 ( 1 - j ) 0 0 0 0 1 2 2 ( 1 - j ) o o 0 0 0 1 - 2 j 2 ( 1 - j ) ( 2 - 1 3 ) 单元冈0 度矩阵 时= l 时【d 】【b 】d y ( 2 - 1 4 ) 式中k 。为整体坐标内的单元刚度矩阵；【d 】为材料弹性矩阵，是常数矩阵； 【b 】为应变矩阵，是局部坐标白r g 的函数；可采用高斯积分法对式( 2 1 4 ) 进行 计算。 ( 2 ) 求节点应力和应变 空间问题中所求应力的公式为： 仃 = 【d 】【b 】 艿) 。 ( 2 - 1 5 ) 式中， 盯 = qq 吼k 乇丁 已知高斯积分点j 的坐标为亏j ，叩，钇，则该点的应力计算公式为 仃) ，= 【d 】【b 】 6 ) 9 ，悸= 白，叩= 协，g = 白) ( 2 - 1 6 ) 纠，= 吲。 ( 2 - 1 7 ) ( 3 ) 等效节点载荷 尸) = 陋】。 ( 2 1 8 ) ( 4 ) 总体方程 将所有的单元刚度矩阵按照节点对应位置相加，得到总体刚度矩阵【k 】，即 = k r = l 阿f d b d v ( 2 - 1 9 ) 求解有限元求解方程( 线性代数方程组) p = 【k 】 艿 ( 2 2 0 ) 得到结构节点位移列阵 艿 。 只要选定单元模式，划分好网格，有限元程序计算执行的步骤是完全标准化 了的，这是有限元法得到广泛应用的重要原因 2 9 1 。 1 6 第三章中心载荷下机架静力结构分析 目前很多学者及研究人员对液压机机架部分进行静态结构分析，大致分为两 种：一种是通过整体计算模型来分析，就是把立柱和上、下横梁作为一个不可分 离的整体；一种是通过组合计算模型来分析，就是对机架的组成部分( 上、下横 梁和立柱) 分别分析或把各组成部分通过接触等方法组合起来进行研究。燕山大 学的杨建民，通过对整体模型和组合模型的分析对比，得出组合模型读取各部 分的分析结果更直观，在应力方面，组合模型应力值偏大，比整体模型能更好的 分析机架承载后的应力集中问题。因此，本课题在对机架进行静力结构分析时， 将对机架的组件分别分析。 3 1 液压机本体关键件描述及其设计参数 本文研究对象是2 0 m n 三梁四 柱锻造液压机，主要构件为铸钢件结 构，高温退火消除内应力。四柱式液 压机是液压机中最常见、应用最广泛 的一种结构形式，其主要特点是加工 工艺性较其他类型液压机简单【3 0 l 。它 的机架是由上横梁、工作台( 下横梁) 和四根立柱组成，上横梁用立柱调节 螺母支承，立柱的台阶支持在工作台 面上，两端用锁紧螺母锁紧。三个工 作缸安装在上横梁内，其中主缸位于 中间，两个侧缸分布在主缸的两侧。 活动横梁( 滑块) 与工作的活塞连成 一个整体，以立柱为导向上下运动， 并传递工作缸内产生的力量，实现对 制件的压力加工。其实体图如图3 1 所示。 图3 i2 0 m n 锻造液压机结构 ( 1 ) 机身 主机机身为四柱式结构，主要由：上横梁，滑块，下横梁，立柱，立柱护 夏潭王了酾千孚位论j乏一一。一 套，锁母，移动工作台，主油缸，侧油缸，上死点锁紧装置，检修平台等组成。 机架是由上横梁、下横粱和四根立柱通过锁母组成的受力框架，是液压机本体的 重要构成部分，占整个机身重量的绝大部分，因此根据其受力特点，对机架进行 有限元结构分析是十分必要的。 ( 2 ) 液压缸 主缸为( 1 0 0 0 0 k n ) ，侧缸为5 0 0 0 k n * 2 ，主缸和侧缸缸体通过法兰与上横 梁连接，活塞杆与滑块连接，提升缸缸体通过法兰与上横梁连接。各油缸缸体均 采用整体锻钢，以保证材质的均匀性。柱塞杆采用4 5 锻钢，经退火处理后粗加 工，表面工频淬火、精加工、精磨而成，精度高，耐磨性好。 本液压机主要适用于对加热后的坯料或钢锭进行塑性加工，完成墩粗、拔长、 冲孔、扩孑l 等各种锻造工艺，达到工艺所要求的形状和尺寸。锻造钢锭或坯料表 面温度范围为8 0 0 1 3 0 0 度。以及各种金属材料零件的热挤压成型或冷挤压成型 等工艺。主要使用材质为：碳素钢、合金结构钢、轴承钢、不锈钢等。液压机基 本参数是其基本技术数据，是根据液压机的工艺用途及结构类型来确定的，他们 反映了液压机的工作能力及特点，也基本能够定下液压机的轮廓尺寸和本体重 量。2 0 m n 锻造液征机的主要技术参数见表3 1 ： 表3 12 0 m n 锻造液压机的主要技术参数 序号项目单位数值 l 公称力 k n2 0 0 0 0 2 压力分级：主缸k n1 0 0 0 0 3 三缸 k n 2 0 0 0 0 4 回程力 k nl o o o 5 液体最大工作压力 m p a2 5 6 最大开口高度n 皿2 8 0 0 7 骨块行程 n n 1 5 0 0 空程下行速度 3 0 0 工作行程速度1 0 0 ( 2 0 0 0 吨) 8 滑块速度m m s 2 0 0 ( 1 0 0 0 吨) 回程速度 3 0 0 快锻次数4 0 6 0 9 立柱中心距 m m2 6 0 0 * 1 3 0 0 l o 允许锻造偏心距 m m1 0 0 l l 移动工作台行程 m m4 0 0 0 1 2 移动工作台尺寸( 长幸宽) m m4 0 0 0 1 6 0 0 1 3移动工作台下平面距地面高m m0 1 4移动工作台最大承重 t4 0 1 5 移动工作台移动速度 m m s 1 2 0 1 6 工作台有效尺寸( 左右前后) m m1 6 0 0 * 1 5 0 0 1 7电机功率k w 一2 4 0 0 1 8机器总重量 t2 0 0 公称压力：表示液压机名义上能发出的最大力量，反映了液捱机的主要工作 能力。 开口高度：指活动横梁停在上极限位置时，从工作台上表面到活动横梁下表 面的距离。它反映了液压机在高度方向上工作空间的大小。 滑块行程：指活动横梁位于上极限位置时，立柱导套下平面到立柱限程套上 平面的距离。它表示活动横梁能移动的最大距离。 工作台有效尺寸( 左右幸前后) ：根据工件及模具的尺寸来确定，反映了液压 机平面尺寸上工作空间的大小。 滑块速度：包括空程下行速度、工作行程速度、回程速度。工作行程速度由 不同的工艺要求来确定，变化范围很大：空程下行速度与回程速度一般较高，以 提高生产率。 回程力：由活塞缸下腔活塞工作面积或单独设置的髓程缸来实现。 允许最大偏心距：指工件变形阻力接近公称力时所能允许的最大偏心值。在 结构强度刚度设计计算时应考虑此偏心值。 移动工作台尺寸及行程：在锻造及板料冲压液眶机中，往往要设置移动工作 台，以便在工艺操作前后将模具移动出液压机外，以更换模具，放、取工件等。 移动工作台的尺寸取决于模具的尺寸及工艺过程的安排，移动工作台的行程及移 动速度也取决于工艺操作的需要。 3 2 建立实体模型的方法 a n s y s 作为一个大型的通用软件， 能与其他的c 燃a e 软件交换数据， a n s y s 软件的几种建模方法： ( 1 ) a n s y s 实体建模法 提供了功能强大的数据交互接口，使其 因此使它的建模方式也多元化。以下是 实体建模，即描述模型的几何边界，建立对单元大小及形状的控制，然后用 a n s y s 程序自动生成所有的节点和单元3 。a n s y s 程序提供了两种建模方法： 自上到下和自底向上，自上到下是定义最高图元，然后程序自动定义相关的点、 线、面；自底向上是定义关键点，再依次得相关的线、面、体。实体模型建立后 一。一。了孺牙亚灭孚面丽e j 丽爻 一_ 进行网格划分即得到有限元模型。 ( 2 ) a n s y s 直接生成有限元模型 直接生成方法是在定义a n s y s 实体模型之前，确定每个节点的位置以及每 个单