（材料加工工程专业论文）液压镦锻机的本体结构分析与优化.pdf

摘要 摘要 目前，长杆类和长轴( 管) 类锻件大多采用平锻机锻造。但考虑到生产过 程的经济性，对于小批量多品种长杆类、长轴类锻件，不适于用平锻机生 产。4m n 卧式液压镦锻机即是针对该类零件研制的一种专用模锻设备。 镦锻机机架作为成形设备的基础支撑部件，在工作过程中承受全部工作载 荷，其强度和刚度对于整机安全和产品质量起着决定性作用，因此研究机 架在预紧及工作状态下的应力和位移分布情况，保证机架有足够的刚度和 强度是十分重要的。 本文在详细研究液压机本体结构分析的历史与现状及存在问题的基础 上，分析了镦锻机机架的结构及其预紧和受力特点，以有限元分析软件 a n s y s 为工具，利用预紧单元法模拟了预应力组合机架的预紧力作用。 采用实体建模方法，选用四面体实体单元，建立了机架的参数化有限 元模型，进行了有限元三维整体接触分析，揭示了机架的应力、位移分布 规律，从而找出了机架受力及变形危险点的位置，得到了静态特性。 选用兰索斯法( l a n c z o s ) ，对预应力组合机架进行了模态分析，获得了 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，并分析了各阶 模态对所研究机架的工作性能的影响。 文中对作用在前梁及下横梁上的残余预紧力和离散变量优化进行了技 术处理，基于对下横梁及前梁有限元分析的基础上，借助参数化语言a p d l 和工程结构最优化技术，采用子问题优化算法，编写了优化程序，分别对 下横梁、前梁结构进行了优化，获得了最佳的结构设计参数。 关键词液压机；镦锻机；本体结构；有限元分析；优化设计 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a tt h ep r e s e n tt i m e ，f o r g i n g so fl o n gr o do rh o l l o wa r e m o s t l y m a n u f a c t u r e db yh o r i z o n t a lm e c h a n i c a lp r e s s h o w e v e r ，i ti sn o ts u i t a b l ef o r s h o r tr u n n i n go faw i d ev a r i e t yo ff o r g i n g s ，i nt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee c o n o m y o ft h ep r o d u c t i o n 4m nh o r i z o n t a lh y d r a u l i cu p s e t t i n gp r e s si san e wk i n do f s p e c i a ld i ef o r g i n gp r e s sf o rp r o d u c t i o no ft h i st y p eo ff o r g i n g s t h ef r a m e a s t h ef u n d a m e n t a ls u p p o r tf o rt h ec o m p o n e n to f4m nh o r i z o n t a lh y d r a u l i c u p s e r i n gp r e s s ，i sf o u n d a t i o no fi n s t a l l a t i o na n df i x a t i o nf o ro t h e rp a r t s i nt h e w o r k i n gp r o c e s s ，i te n d u r e st h en o m i n a ll o a d ，a n di t si n t e n s i t ya n dr i g i d i t yw i l l d i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fh y d r a u l i cp r e s sa n dp r o d u c tq u a l i t y , t h e r e f o r e ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no ft h ef r a m e u n d e rp r e l o a d e da n ds t a t i cl o a df o ra s s u r a n c ei n t e n s i t ya n d r i g i d i t yo f t h ef r a m e t h eh i s t o r i e sa n dt h ec u r r e n ts t a t u so f t h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n dd e s i g no f t h ef r a m ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n dt h ep r o b l e ma n d s h o r t a g ea r ep o i n t e do u t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea n dp r e l o a d e do ft h ef l a m ea r ea n a l y z e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y si su s e d ，p r e t e n s i o no ft h e f r a m ei ss i m u l a t e db yw a y o f p r e t e n s i o ne l e m e n t t 1 1 e3 d - f e mp a r a m e t e r i z e dm o d e lo f t h ef r a m ei se s t a b l i s h e db ya p p l y i n g t e t r a h e d r o ns o l i de l e m e n ta n dm e t h o do fs o l i dm o d e lb u i l d i n g ，a n dc o n t a c t i n g a n a l y s i si sc a l c u l a t e d t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nl a wo ft h ef r a m e u n d e rs t a t i cl o a da r ed i s c l o s u r e d ，t h ep o s i t i o no fd a n g e r o u sp o i n ta r eg i v e na n d c h a r a c t e ro f s t a t i ca r eo b t a i n e d t h el a n c z o sm e t h o di su s e di nm o d a la n a l y s i so f t h e p r e l o a d e df l a m e t h e d y n a m i cp a r a m e t e r so ft h ef r a m es u c ha sp r e v i o u st e nn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n d c o r r e s p o n d i n gm o d e sa r eo b t a i n e da n dt h ei n f l u e n c e so fe v e r ys t e pm o d et o s e r v i c eb e h a v i o ra r ea n a l y z e d r e s i d u a lp r e l o a d e da n do p t i m i z a t i o no fd i s c r e t ev a r i a l b l ea r et e c h n i q u e h a n d l e d ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n , o nt h eb a s e do ft h ef i n i t ee l e m e n ta n ds u b - p r o b l e m a b s t r a c t o p t i m i z e da l g o r i t h m , t h ep a r a m e t e rl a n g u a g ea p d la n do p t i m i z i n gt e c h n o l o g y a r ea p p l i e d o p t i m i z e dp r o g r a m so f l o w e rc r o s s h e a da n df r o mc r o s s h e a do f t h e f r a m ea r er e s p e c t i v e l y p r o g r a m m e d ，t h eb e s t s t r u c t u r ed e s i g np a r a m e t e ra r e o b t a i n e d k e y w o r d sh y d r a u l i cp r e s s ；u p s e t t i n gp r e s s ；f r a m e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； o p t i m i z i n gd e s i g n i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文液压镦锻机的本体结构分 析与优化，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字复1 于君日期：盖形年j 月7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 液压镦锻机的本体结构分析与优化系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了 解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密酣 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蚕1 丁露日期：多。一年j 月7 日 翩獬：寸粕勺嗍一铋”日 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 在机械工业中，锻压设备占有极其重要的地位，其发展水平及拥有量 不仅对锻压生产起着关键作用，而且在一定程度上还标志着一个国家机械 制造工业的技术水平。液压机是一种通用的锻压设备，属重型机械，是利 用液压传动技术进行压力加工的设备，是制品成形生产中应用最广的设 备之一。与机械压力机相比，它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，结构布置灵活，各执行机构 可很方便地达到所希望的动作配合等优点【2 卅。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。如：板材成 形；管、线、型材挤压；轮轴压制、校直等等。各种类型液压机的迅速发 展，有力地促进了各种工艺的发展和进步。八十年代以来，随着微电子技 术、液压技术的发展和普及，液压机有了更进一步的发展口1 。目前，液压 机的最大公称压力已达7 5 0m n ，众多机型己采用c n c 和p c 机来进行控 制，使产品的加工质量和生产效率得到了极大提高。 随着我国经济建设的迅速发展，对重型汽车的需求量将越来越大，因 而对长杆类、长轴( 管) 类锻件的需求也在日益增长。人们对锻件的尺寸精 度和生产效率提出了越来越高的要求，因而对液压机的锻造速度和压下精 度的要求也随之提高。目前，长杆类和长轴( 管) 类锻件大多采用平锻机锻 造【6 】，如国内最大的微型车底盘的生产基地四川雅安建安机器厂和云南个 旧南天汽车半轴有限公司、时风农用车有限公司、长治汽车半轴厂等单位 均采用平锻机生产汽车半轴和长轴类锻件。但由于平锻机结构复杂、价格 昂贵，其应用在很大程度上受到工厂规模和锻件经济批量的限制。对于一 些产量已构成统一批量，但品种较多、单一品种批量较小以及诸品种工艺 参数相差较大的长杆类、长轴( 管) 类锻件，不适于采用平锻机生产。4m n 卧式液压镦锻机即是针对该类零件而研制的一种专用模锻设备【”。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 液压机本体结构分析的发展概况 本体结构是液压机的重要组成部分，它不仅是液压机主要零件的装配 基体，而且还要承受机器的全部工作载荷，本体结构的承载能力和变形大 小及其动态性能将直接影响产品的精度及模具的使用寿命。液压机的本体 结构从机架形式看，可分为立式和卧式；从机架组成方式来看，可分为立 柱式、单臂式和框架式及复合式四大类【5 1 。立柱式机架为最常见的结构形 式之一，其特点是工作空间宽敞、便于四面观察和接近模具，整机结构简 单，工艺性好。缺点是承受偏心载荷能力较差，刚度较低。单臂式结构又 称“c ”形床身，操作方便，可三面接近工件，工件装卸简单方便，缺点 是机架变形较大，刚度差。框架式液压机机架又分为整体式、组合式。整 体式机架n t 装配工作量较少，但需要大型加工设备，运输也较困难。组 合式机架是由拉紧螺栓将横梁、立柱、底座三部分牢固地联接起来，构成 一个完整体。与整体机架相比，组合机架不仅可使液压机的承载能力和抗 疲劳性能提高，而且还具有结构紧凑、刚度大、重量轻、制造容易等特点， 使得组合机架越来越受到人们的青睐f b 】。 有限元法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是求解数理方程的一种数值计算 方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。近年来，有限元 法在国际上随着计算技术的发展而获得了蓬勃发展，目前使用的软件有 a n s y s 、s u p e r s a p 、m a r c 等，被广泛地应用到各种结构和场问题的分 析领域【9 1 。 液压机的静态有限元分析主要是8 0 年代开始的，文献 1 0 幂1 j 用自编的 有限元程序对多向模锻液压机横梁进行了有限元分析，其计算结果与理论 分析结果吻合。近年来，这方面的研究逐渐增多，领域不断扩大和深入。 文献 1 1 】对液压机中的主液压缸、横梁和立柱进行了有限元结构分析，得 到了详细的应力应变云图及最大变形的位置。文献 1 2 对2 2m n 液压机整 体框架式机架进行了有限元分析，求出了中心载荷及偏心载荷工况下的应 力位移分布。文献 1 3 采用有限元法对1 2 5m n 快锻液压机的机架进行结构 静态分析，揭示出了机架在不同工况下的应力位移变化规律。文献 1 4 】对 第1 章绪论 缠绕型全自动液压压砖机进行了有限元接触分析和刚性分析，并对计算结 果进行了比较分析。文献 1 5 1 对8 0 0m n 多向模锻液压机本体结构进行了接 触分析，对本体结构设计给出了改进意见。文献 1 6 1 对y 3 2 - 5 0 0 b 四柱液压 机下横梁进行了有限元分析并在此基础上进行了结构优化，得到了满意的 结果。文献 1 7 1 对1 0m n 框式油压机机架进行了静态有限元分析，得到了 应力应变规律，在此基础上对本体结构进行了优化。 液压机的动态有限元法分析主要开始于9 0 年代，随着数值模拟技术的 引入，其应用广度和深度不断增加。文献f 18 1 对缠绕型全自动液压压砖机 的机架进行了模态分析。文献 1 9 1 对1 2 5m n 快锻液压机的机架进行有限 元结构模态分析，给出了前十阶模态振型和固有频率。文献 2 0 】等对 h j y 2 7 6 3 0 液压机的机架整体框架进行了模态分析，求解了振型和固有频 率，并对该机机架做了优化设计。 现在，液压机机架设计已经从材料力学的机架危险点应力和最大变形 的校核发展到有限元数值模拟及优化设计，有限元分析也从原来对单个横 梁的静态分析发展到对液压机整体结构的分析，从原来的结构静态分析发 展到对结构的动态分析，从对结构的改进分析发展到在有限元分析基础上 的优化设计。这些技术使液压机的设计水平有了很大的提高，取得了可喜 的成绩。但是，在此方面的研究工作还存在着一些不足，具体表现为以下 几个方面： ( 1 ) 对单个梁结构分析的较多，对整体结构接触分析的较少； ( 2 ) 对机架静态性能研究的比较多，对动态性能研究的比较少； ( 3 ) 对机械压力机机架研究的较多，对液压机本体结构研究的较少； ( 4 ) 对普通机架研究的比较多，对组合机架研究的比较少。 目前，对于液压机机架的设计和分析，国外普遍采用计算机为工具， 并结合了传统与现代设计方法1 2 1 , 2 2 1 。而国内大部分液压机机架的设计，一 定程度上还依赖于传统的材料力学设计方法1 2 扣2 ”。该法存在两点不足，首 先用来计算弯矩和应力的惯性矩不是整个结构上的精确计算值，是一个近 似值；其次，计算中没有考虑结构中的应力集中问题。这样就可能导致计 算结果存在很大误差，造成机架过于笨重等缺陷。这就需要我们引入比较 燕山人学工学硕士学位论文 有效的现代设计手段，利用有限元法进行静态、动态特征计算，对液压机 机架作全面的性能校核，同时，对液压机本体结构的优化方法进行探索， 实现真正意义上的设计。只有这样，才能提高液压机的分析设计水平，使 我国的液压机性能跨入国际先进行列。 1 3卧式液压镦锻机本体结构简介 一般液压机组合机架由上横梁、左右立柱和下横梁、四根拉杆组成， 上横梁、左右立柱和下横梁通过四根拉杆拉紧构成一个整体，其结构如图 1 1 所示【2 】。液压机在工作时，横梁、立柱之间不得产生错移和间隙，为此 必须给拉杆以预紧力，使机架受压，有一定的预压缩量，拉杆相应受拉， 有一定的伸长量。工作时，机架的预压缩量减小，拉杆进一步伸长，当工 作压力增至极限载荷时，则立柱的变形量为零。 血血 j l 川l d i i 辜| 图1 - 1 传统的组合式液压机机架结构简图 f i g1 - 1 t r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo f t h ep r e s t r e s sf l a m e 4m n 卧式液压镦锻机是由燕山大学锻压研究所开发的一种专用液压 第1 章绪论 机，该设备的主要技术参数见表1 1 。 表1 1 镦锻机的主要技术参数 t a b l e1 - lk e y t e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h e u p s e t t i n g p r e s s 技术参数 单位 镦锻部分夹紧部分 公称压力m n45 液体压力m p a2 52 5 同程力m n1 2 l0 滑块最大行程6 0 02 0 0 最大装模开间1 2 5 06 0 0 滑块工作速度4 5 - 5 03 5 - 4 0 滑块回程速度 m m s7 5 - 8 58 0 1 0 0 镦锻机机架为闭式组合机架中的一种特殊结构，其本体结构由毛坯夹 紧和镦锻成形两个基本功能部分构成。其基本结构如图1 2 所示。由图可 见，每一部分都构成相对独立的一台液压机。垂直央紧部分包括由上粱、 前梁、下梁和垂直拉杆组成的夹紧机架、夹紧液压缸和垂直滑块( 上模座) 以及下模座等主要部件，借助模具夹紧锻件毛坯。水平镦锻部分包括前粱、 水平立柱、后梁和水平拉杆组成的镦锻机架、镦锻液压缸和水平滑块( 凸模 支承座) 等主要部件，用来实现热毛坯的局部镦粗成形。夹紧机架和镦锻机 架均为预应力组合机架结构。 前梁为两个机架的共用部分，既是央紧部分的立柱，又是镦锻部分的 横梁，它把两个相对独立的部分结合起来，构成一个有机的整体。夹紧滑 块即上模座在前梁内上下往复运动。由于在镦锻和拔模时的承载要求，其 导向结构采用了楔块式结构。上模座在前梁内侧八面导向，前后方向间隙 可调。该导向结构承载能力强，寿命长，调整方便。镦锻滑块即水平滑块 的运动沿水平立柱内侧导向。导向装置为斜导轨间隙可调式结构。锻造时， 局部加热的锻件毛坯由前梁方孔水平送入模膛，夹紧滑块向下运动，上下 锻模夹紧毛坯。镦锻滑块向前推进，镦锻凸模使毛坯被加热部分发生塑性 变形。锻造结束后，镦锻滑块首先拔模返回，退至原位，然后夹紧滑块回 燕山大学工学硕士学位论文 程，取出镦件。至此，完成一次工作循环。 图1 - 2 卧式液压镦锻机机架结构简图 f i g 1 - 2 s t r u c t u r eo f c o m b i n e d 仃a m eo f h y d r a u l l ch o r i z o n t a lu p s e t t i n gp r e s s 前梁作为夹紧机架的空心立柱和镦锻机架的横梁，其结构与受力都比 较复杂，明显不同于一般液压机横梁的典型结构，如图1 3 所示。前梁采 用钢板焊接结构。对于夹紧机架和镦锻机架各有四根预应力拉杆穿过，内 腔装有上下模座。在镦锻过程中，镦锻力由上下模座传给支承导向板，通 过支承导向板传至前梁面板。回程时，水平方向的拔模力通过导向板作用 在前梁后面板上。由此可见，在锻造过程中，前梁处于前后面板局部单板 受力的状态。为改善这种状态，设计中采用了局部加强筋板和提高前梁整 体抗载能力的措施。 第1 章绪论 上盖板 内挡板 导向板 支承导向板 后面板 下盖扳 前面板 图1 3 前梁轴侧图 f i g 1 - 3 s t r u c t u r eo f t h ef r o n tc r o s s - h e a d 1 4 基于有限元的优化技术 1 4 1 结构设计中的优化技术 近年来，优化设计在各个学科领域都得到了广泛应用1 2 6 - 3 8 】。结构优化 设计就是保证结构达到某些性能目标的前提下，在给定边界条件和载荷的 情况下，在规定的区域内改变某些允许的设计变量来进行寻优，也就是材 料的最优分配问题。实践证明，结构优化设计能够保证产品在具有优良性 能的条件下，减轻结构重量或体积，达到降成增效的目的。目前，在我国 对简单结构进行优化设计，可比常规设计节约材料7 ；对较复杂结构进 行优化设计，比常规设计节约材料2 0 ；对复杂结构进行优化设计，节约 材料3 5 - 4 0 【l 。在国外，采用优化设计可降低1 0 5 0 的设备成本【 i 。 今天，市场竞争日益激烈，工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地 意识到，谁能更快推出优秀的新产品，谁就能占领更多的市场。因此，有 燕山大学工学硕士学佩论文 限元作为能缩短产品开发周期的方法，被越来越多地引入到了产品的设计 与生产的各个环节，以提高产品的竞争力。从简单校核产品性能，逐步发 展到准确预测产品性能，以及精确模拟产品工作过程。然而，提高产品竞 争力不但需要提高产品的性能与质量，还要降低产品的成本，因此需要找 到最合理和最经济的设计方案。虽然可以通过不断修改设计参数来寻找最 理想方案，但这样做，无疑又延长了产品的开发周期，所以对数据参数进 行调整的时间是有限的。最优化设计中引入有限元方法可使人们从繁重的 工作中解脱出来，同时使有限元分析应用水平也达到了一个新的高度口”。 1 4 2 有限元优化技术 优化方法作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来 达到寻求最优值的目的。仅仅利用有限元的数值分析不能得到一个解析解， 因为有限元计算的结果只是一个数值解。然而，样条插值技术又使有限元 中的优化成为了可能，它可使多个数值点形成用函数表达的一条连续的曲 线或一个曲面，这也是数学意义上的极值优化问题。样条插值方法当然是 一种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的 结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近， 当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。 那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。以上就是有限元方法 中的优化处理过程。一个典型的有限元优化过程通常需要经过以下的步骤 来完成【4 m ： ( 1 ) 描述工程问题获取材料的机械性能及几何条件、外力、边界条件。 ( 2 ) 参数化建模有限元软件的参数化建模功能，可将参与优化的数据 ( 设计变量) 定义为模型参数，为下一步修正模型打下基础。 ( 3 ) 求解对参数化模型进行加载与求解。 ( 4 ) 后处理提取状态变量( 约束条件) 和目标函数( 优化目标) ，利用优 化处理器进行优化参数评价。 ( 5 ) 优化参数评价优化处理器计算本次循环提供的优化参数( 设计变 量、状态变量及目标函数) 与上次循环提供的优化参数，然后确定本次循环 第1 章绪论 目标函数是否达到了最小。若循环目标函数达到最小，说明结构达到了最 优，可完成迭代，退出优化循环：否则，可根据己完成的优化循环和当前 设计变量的状态修正设计变量，重新进行循环。 1 4 3 有限元方法中优化技术的特点 有限元优化方法具有计算模型的参数化和迭代过程的自动化等基本特 点。此外作为优化技术与有限元方法相结合的产物，有限元优化方法具有 如下特点： 首先，有限元优化技术应用广泛。现代有限元优化技术己应用到了许 多研究领域，其研究的深度及广度都在逐步加强，已从单一场分析过程的 优化发展到能够处理多场耦合过程的优化。 其次，一个优化迭代过程通常是从前处理丌始，经过建模、单元划分、 加载，最后进行求解和后处理。一般的优化问题通常需要较多的迭代才可 能收敛。因此，软件具有统一的数据库是高效的有限元优化过程的前题， 这种统一指的是前后处理数据与求解所用的数据应该在同一个数据库中， 而不是通过数据文件来传递。 第三，优化过程实际上是一个不断自动修正设计参数的过程，所以要 想保证优化过程的流畅，有限元软件必须具有完备高效的参数流程控制技 术。流程控制过程中，不但要求将要优化的设计数据参数化，而且要求这 种流程控制具有判断分支与循环的能力，以使软件可以自动应付大型问题 在优化过程中出现的各种复杂情况。 第四，高精度网格是有限元分析的关键因素之一。一个良好的有限元 软件要想很好地处理优化过程，尤其是形状优化问题，必须具备智能的网 格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的网格畸化问题。 第五，现代的有限元软件通常应当具备非线性处理能力。通常提高非 线性问题收敛性的手段应视具体情况决定，而对于一个非线性问题的优化 过程，往往会因各种各样的因素而影响收敛。但优化过程是程序自动控制 迭代的，不需过多的人为干预，因此，非线性收敛的智能控制技术对非线 性优化问题是至关重要的。 燕山大学下学硕士学位论文 1 5 课题研究意义及内容 1 5 1研究意义 工作期间，镦锻机机架承受着较大的载荷，既有上下往复运动，又有 水平往复运动，其强度和刚度对于整机安全和产品质量起着决定性作用， 因此研究机架在静态加载情况下的应力和位移分布情况，保证机架有足够 的刚度和强度是十分重要的。同时，机架在工作时伴有较强的振动和较大 的噪声，这会削弱其工作能力，危害工人的身心健康，污染环境，为此， 需要了解其动态特性以及振动和噪声情况。锻压设备的减振问题一直就是 急需解决但又没有彻底解决的问题【1 ”。模态分析将是解决这个问题的第一 步。因此本文将对机架进行模态分析。另外，在有限元分析的基础上，本 文还将对机架结构进行优化，以期减轻重量、降低成本。本文所做工作对 了解现有结构性能并进而改善其性能将具有指导意义，同时可为同类型的 液压机本体结构的设计提供理论依据。 1 5 2 研究内容 本文的工作就是结合现代设计方法，借助现代工具对镦锻机机架进行 有限元分析，以期获得其应力、位移变化规律，并在此基础上进行结构优 化，达到减轻重量、降低成本的目的。主要研究内容有： ( 1 1 对有限元分析中建模方法、单元类型选取及划分的一般原则和预紧 单元法进行阐述，通过试算确定较精确的预紧系数； ( 2 ) 在对机架的结构及其预紧和受力特点进行全面分析的基础上，建立 机架静载下的实体和有限元模型，对机架进行整体接触分析，从而揭示机 架及各横梁结构的应力和位移分布规律； ( 3 ) 建立预紧载荷下的机架有限元模型，选用兰索斯法对机架进行模态 分析，得到前十阶固有频率及相应的固有振型等相关的动态参数，并对机 架的各阶振型及其对压机工作性能的影响进行分析； ( 4 1 基于有限元分析结果，选用子问题算法，对镦锻机下横梁和前梁进 行结构优化，获得结构的最优设计参数，为改进结构提供理论依据。 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 结构分析的首要任务就是建立有限元分析模型。模型生成的目的是建 立能够真实反映原型行为特征的数学模型。一个理想的有限元分析模型才 能准确地模拟结构的实际刚度、强度，其分析结果才可靠、准确，4 可以 更好地用来指导工程设计【3 9 i 。 2 1 组合机架的预紧 2 1 1 普通组合机架的预紧 在框架结构中，为了保证机构的正常工作，必须使机器在工作状态下， 立柱和上下梁结合平面不产生间隙和错移，因此，应对机架进行预紧。机 架的力学模型是由预紧模态和工作模态组合而成的。在预紧模态，机架只 受预紧力作用；在工作模态，除预紧力外，上横梁液压缸位置作用有工作 载荷，下横梁工作台表面也有工作载荷。对于普通的闭式组合机架，其受 力简图如图2 - 1 所示，其中p ，为作用在机架上的预紧力，p 为作用在机架 上的工作载荷。作用在上横梁底面上的力与作用在下横梁工作台上的力形 成一封闭力系。 。， 。f 二 川 图2 - 1 普通组合机架受力简图 f i g 2 - 1 t h ed i a g r a mo f ag e n e r a ll o a d e df l a m e 由于上横梁和下横梁的截面尺寸相对于立柱和拉紧螺栓的横截面尺寸 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 大很多，且较立柱长度小，故可忽略上横梁和下横梁的变形。拉紧螺栓可 以被看作是单向拉伸，在弹性范围内，拉紧螺栓与立柱的载荷变形关系如 图2 2 所示。图中( a ) 是预紧前的情况，( b ) 是预紧后的情况，( c ) 是压机工作 时的情况。 一f 习 1上 。i一_ i l 丑 i 正卫 口丑i 匝丑 f r i l i r ： 1r 1 7 l p p 三尸： ， f i 乓 i n i q r i kl 匝_ l 中ll 甲甲f 叫 ( a )( b ) ( c ) 图2 2 拉杆和立柱变形示意图 f i g 2 - 2 d e f o r m a t i o no f t e n s i o nb o l ta n dc o l u m n 在弹性范围内，拉杆和立柱的载荷与变形之间都是线性关系，其力与 变形关系如图2 3 所示。在图中，丸为预紧后拉杆的伸长，九为预紧后立 柱压缩变形，t 为工作时拉杆的伸长，t 为工作时立柱残余压缩变形。可 见，拉杆在液压机工作时比预紧时所增加的伸长量为 2 - a f( 2 1 ) 立柱在液压机工作时比预紧时所减少的压缩量为 a 。= a a ! 因为九= a a = a ；t 所以 a | - = a ：- t( 2 2 ) 1 2 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 p i 。一 l 工 一 。pt 一 一-一l 一 一t 一 例2 3 拉杆和立柱的力- 夏形关系 f i g 2 3 t h er e l a t i o no ff o r c e d e f o r m a t i o no f t e n s i o nb o l ta n dc o l u m n 在预紧状态下，预紧力为0 ，机架受到公称压力只作用时，拉杆除承 受残余预紧力外，还要承受公称压力只的作用。所以此时拉杆受力从只增 为毋，而立柱受力从p v 减为只，只即为残余预紧力。由图2 - 3 可知 只2 只+ 只( 2 - 3 ) 此时拉杆的变形从a ，变为t ，即a ，+ a a , ，立柱的变形从a = 变为t ， 即a ：- a 。若将工作压力增至z 0 ，z 为预紧系数，则立柱的变形量变为 零，即a ：= o ，这样式( 2 2 ) 成为 。a ，2 a ；( 2 4 ) 根据虎克定律 t = 蜀z e a i ，鼻, = z l c , ( 2 5 ) c i = e s n ! ；f t ( 2 - 6 ) 同理 2 只g( 2 - 7 ) 燕山大学工学硕士学位论文 x ：2p v c ： c ：。瓦l 鬲z 把上述诸式代入式( 2 4 ) 得 。：盟 1 y c ? + c ， 式中z 预紧系数 三，、三：拉杆和立柱工作长度 e 、e 。拉杆和立柱材料的弹性模量 、n 。拉杆和立柱的数目 f 、f 拉杆和立柱的截面积 c 、c ：拉杆和立柱在单位力作用下的变形 式( 2 1 0 ) 即为求解一般液压机预应力组合机架的预紧力公式。 2 1 2 镦锻机组合机架的预紧 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 镦锻机本体结构受力简图如图2 - 4 所示，其中p 1y 、p 2 y 为作用在机架 上的预紧力，p 1 、p 2 为作用在机架上的工作载荷。该机架为一空间封闭力 系。由于前梁既是垂直机架的立柱又是水平机架的横梁，使得该机架受力 情况较一般组合机架更为复杂。 图2 - 4 镦锻机机架受力简图 f i g 2 4 t h ed i a g r a mo f l o a d e df r a m eo f u p s e t t i n gp r e s s 1 4 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 同样道理，为防止镦锻机工作时，在横梁与立柱的结合面处出现间隙， 同普通组合机架一样，安装时必须给其一定的预应力。但是由于机架结构 的特殊性，预紧力的求法就不能简单地套用式( 2 1 0 ) ，有限元分析时，预 紧力的设定就有了一定的难度。为了能将预紧力效果准确加入有限元模型 中，必须对预紧力进行处理。 2 2 预紧单元法 2 2 1 预紧方法及其有限元解法 在组合机架的装配中，通常采用以下三种预紧方法： ( 1 ) 普通紧固法该法用扳手来旋紧锁紧螺母，再用手锤或大锤敲打锁 紧。它所能达到的预紧力，受到扳手、扳手强度以及安装所能施加的旋紧 力等限制，力量是较小的。该法只能用于吨位小的液压机机架联接装配中。 ( 2 ) 热装法利用金属受热膨胀原理，将拉紧螺栓加热n - 定温度，使 其伸长到适当长度，然后拧紧预紧螺母，拉紧螺栓冷却后，即产生预紧。 此法受加热温度、加热时间、温度变化及定位基准等因素的影响，单独采 用此法有时不是最理想的方法。 ( 3 1 液压装置冷拉法利用液压油缸加压拉伸拉紧螺栓，然后在螺母下 面垫一定高度的垫片，液压缸卸载后，即在横梁与立柱之间将产生预紧效 果。这种方法简便可靠，但紧固装置结构复杂。 通常，有限元计算中的预应力模拟求解有以下二种方法： ( 1 ) 直接法该法也称等效荷载法，这是一种在有限元模型中直接施加 预紧力的方法。该方法直接将螺栓预紧力以集中力或均布面力的方式施加 在螺母与联接件的接触面上。当工作载荷为o 时，施加的载荷为螺栓的预 紧力p ，当工作载荷为f 时，施加的载荷应为p + c f 。螺栓联接的相对刚度 系数c 是由螺栓和被联接件的材料、结构、尺寸等因素决定的，对于大型 复杂结构难以计算且计算误差较大，故该法应用有一定的局限性。 ( 2 ) 温度法温度降低将引起物体产生收缩变形，若结构的变形受到约 束，就会产生内部拉应力，据此，产生了用降低螺栓温度的方法来模拟预 燕山大学工学硕士学位论文 紧力作用的方法，此即温度法h 2 1 。根据物体的温度效应及弹性变形的协调 条件，可以推导出温度与螺栓预紧力及螺栓长度等各因素之间的关系式， 从而求得所须的温度。 对于组合式液压机机架有： 址：a ，+ a ：兰l + 土生 。： e 。o m f o e h n 民 f = 岛+ 等( 2 1 1 ) c f 瞳, b 式中f 拉杆加热区的加热温度 ，。室内温度 a ，预紧时立柱的压缩量 a ，预紧时拉杆的伸长量 三拉杆伸长量 a 拉杆材料温度膨胀系数 t 加热区的长度 l ，厶分别为立柱、拉杆的有效长度 e 。，氏分别为立柱、拉杆的材料弹性模量 e ，e 分别为立柱、拉杆的最小截面积 m ，n 分别为立柱、拉杆的个数 只为作用在拉杆上的预紧力 毋立柱截面的不均匀度，其值为平均截面与最小截面之比 温度法比较常用，在不涉及热分析的结构分析中非常实用。但对于复 杂螺栓预紧结构来说，该法具有计算量大、费时、易出错等缺点，且在涉 及热分析的结构分析中不适用。 2 2 2 预紧单元法 对于镦锻机的本体结构来说，采用温度法模拟预紧效果理论上说是比 较理想的，但计算预紧力时不能直接套用公式( 2 一l o ) ，同时，采用温度法 计算所需降低的温度时，也不能直接套用公式( 2 1 1 ) 。为了能够尽可能真实 1 6 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 地模拟复杂结构中的预紧过程，a n s y s 提供了以预紧单元为手段的螺栓 预紧效果模拟方法。该方法能够自动生成预紧单元，并进行多个螺栓预紧 序列的载荷控制。 a n s y s 预紧加载过程能够代表实际螺栓预紧过程。在第一个载荷步 施加指定预紧载荷：在下一个载荷步锁定螺栓预紧截面位移，也就是锁定 缩短的螺栓有效长度；当所有的螺栓都被预紧和锁定之后，才能在最后的 载荷步中施加其它载荷。由此可见，a n s y s 中螺栓预紧的处理方法较为 符合工程实际，其预紧步骤具体如下1 4 卜4 川： ( 1 ) 导入或建立几何模型，包括螺栓和周围结构； ( 2 ) 选择单元类型及材料属性，对几何模型划分单元； f 3 ) 建立预紧单元，施加约束边界条件； ( 4 ) 用多载荷步加载和求解。首先在载荷步1 螺栓预加载：接着在载荷 步2 锁定螺栓有效长度；然后在载荷步3 加载结构的其它载荷； ( 5 ) 查看计算结果及结果评价。 当所有的螺栓预紧结构划分完单元后，预紧单元将在指定的预紧截面 处自动生成，且预紧单元无实常数。通过在预紧截面的预紧节点处施加指 定方向的预载荷来对螺栓进行预紧，预紧定义及螺栓在预紧截面处的单元 几何形状分别如图2 5 、图2 - 6 所示。 图2 - 5 预紧定义及预紧截面 f i g 2 5 p r e t e n s i o nd e f i n i t i o na n dc r o s s s e c t i o n 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 预紧单元存在如下特性 4 6 a 7 j ： ( 1 ) 一组预紧单元被定义为一个截面； f 2 ) - - 一维或三维线单元像钩子一样把螺栓的两部分连在一起； ( 3 ) 节点i ，j 是端部节点，通常是重合的，见图2 5 ； ( 4 ) 节点k 是预紧节点，预紧节点位置任意：仅具有一个自由度；用于 定义的预紧载荷通常为力或位移；力的实际作用线沿着预紧载荷方向； ( 5 ) 预紧载荷方向恒定，不因旋转而更新： ( 6 ) 无材料特性或关键选项； ( 7 ) 基体螺栓单元可以是实体、壳、或梁的低阶或高阶单元； ( 8 ) 如果预紧截面确定，预紧单元将自动创建。 在建立预紧单元时，只有在包括螺栓在内的所有结构划分单元后，才 能建立预紧单元。 k 调整前 面b 图2 - 6p r e t s l 7 9 单兀几何 f i g 2 6 p r e t s i7 9e l e m e n tg e o m e t r y 2 _ 3 建模方法 通常，有限元模型有三种建模方法，即实体建模法、直接建模法和c a d 软件建模法。实体建模法是利用实体造型功能，创建各个零件的实体模型， 然后进行单元划分操作，完成有限元模型的一种方法4 引。直接建模法是直 接生成有限元单元的一种方法。第三种方法是利用c a d 软件建立实体模 第2 章本体结构有限元模型的建立及求解 型并将其导入到a n s y s 软件中，进行单元划分来完成有限元模型的方法。 直接生成有限元单元的方法，对一些简单实体而占容易实现，对像镦 锻机机架这样的复杂结构，必须进行大量的简化，且操作复杂，所需时间 较长。在这种方法中，单元的密度是一定的，故在建模之前，对用多少单 元能够描述实际结构必须心中有数，且使优化设计变得不方便；采用c a d 软件创建实体模型，然后将其导入到a n s y s 当中，往往会丢失一些面和 线，从而需要大量的修补工作。在实体模型的基础上划分单元，可以很方 便地控制单元的密度，适合于复杂结构的建模。因此，本文在建模时利用 a p d l 技术，选用实体建模法，采用实体造型功能中的自底向上的建模方 法来构造机架的计算模型。 2 4 有限元模型的建立 2 4 1 模型简化及实体模型的建立 4m n 卧式液压镦锻机的本体结构与工作状态比较复杂，其静、动态 特性取决于诸多方面的因素。为了保证全面准确的反映机架的应力应变情 况，同时使有限元模型得到合理简化，在不影响所要求的分析精度下，确 定了五条建模原则： ( 1 ) 认为机架材料是各向同性材料，密度分布均匀，且为完全弹性体m i ； ( 2 ) 对于明显不会影响机架整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、 圆角等予以简化，个别尺寸给予修正； ( 3 ) 认为焊接质量是可靠的，且不考