（机械设计及理论专业论文）新型数字化压力机的研制.pdf

新型数字化压力机的研制 摘要 压力机是重要的压力加工设备。传统的设计方法存在设计周期长、结构冗余、 成本高、缺乏对结果的验证等诸多弊端。面对日益激烈的市场竞争，企业迫切地 需要了解压力机机身工作状态下的应力应变分布规律和压力机工作过程中控制 的快捷方便及工作状态的可视化，这就促使我们完成了新型数字化压力机的研制 工作。 本文首先使用a n s y s 软件对机身进行参数化有限元分析，根据分析结果对 其结构进行改进，并利用a n s y s 软件的优化设计模块，实现对所研制压力机的 轻量化设计。 然后，在系统设计过程中，通过在该机的液压回路上采用比例压力阀及比例 调速阀等措施可实现对该机的油路压力及压头压装速度的数字无级调节，以满足 在同一台压力机上压装不同零件的要求。通过在压头中设置力与位移传感器，能 准确地测量出压装过程中实际的压装力及压头位移的数值，并能在显示屏上数字 显示压装力与压头的位移之间的二维曲线，从而可实时检测压装质量及判断被压 装工件的加工质量。 最后，本文应用m a t l a b 软件的仿真建模功能对压力机的液压与控制系统 的改进设计提出了构想。 关键词：压力机机身结构有限元比率阀建模模糊控制 2 d e v e l o p m e n to nan e wt y p eo fn ch y d r a u l i cp r e s s a b s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si sa ni m p o r t a n ts m i t h i n gm a c h i n e t h e r ea r em a n yp r o b l e m si n t r a d i t i o n a lp r e s sd e s i g nm e t h o ds u c h 解l o n gp e r i o d ，s t r u c t u r er e d u n d a n c y , h i g hc o s t a n dl a c ko fv a l i d a t i o ne t e a l o n gw i t hd r a s t i cc o m p e t i t i o n , t h ec o r p o r a t i o n sn e e dt o c o m p r e h e n dt h ed i s t r i b u t i n gm l eo fs t r e s sa n ds t r a i no fh y d r a u l i cp r e s s u r ei nw o r k i n g c o n d i t i o na n dm a k et h ec o n t r o lq u i c k ，c o n v e n i e n ta n dv i e w a b l ei nt h e 口n ，c c s so f w o r k i n g a l lt h e s em a k eu 8d e v e l o p ean e w t y p eo f n u m e r i c a lh y d r a u l i cp r e s s i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ru s e da n s y ss o f t w a r et oa n a l y z et h ef r a m eo f h y d r a u l i c p r e s s ，i m p r o v e dt h ef r a m ed e s i g na c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，a n du s e dt h e o p t i m i z a t i o nb l o c ko f a n s y s t or e a l i z et h el i g h td e s i g no f h y d r a u l i cp r e s s n l ea u t h o ra l s or e a l i z e dn u m e r i c a ls t e p l e s sa d j u s t i n go np r e s s u r eo fo i lr o u t e a n dv e l o c i t yo f w o r kb ya p p l i c a t i o no f t h ep r o p o r t i o n a lv a l v ei nt h eh y d r a u l i cs y s t e m i nt h i sw a yw ec a ng e tv a r i e t ya c c e s s o r i e so p e r a t e d0 1 1t h i sh y d r a u l i cp r e s sa l o n e n 嵋o n l i n ep r e s s u r ea n do p e r a t i o nd i s t a n c ec a r lb em e a s u r e db yt h es 锄s o 巧a n d d i s p l a y e do nt h es c r e e ni nt h ef o r mo fc u r v e s i nt h i sw a y , t h eq u a l i t yo fw o r kp i e c e s c a nb ec h e c k e dd u r i n gt h ep r o c e s s e s f i n a l l yt h ea u t h o rp u tf o r w a r dt h ei d e at 0d e v e l o pd e s i g no fh y d r a u l i cp r e s s u r e a n dc o n t r o ls y s t e m sa d o p t i n gt h es i m u l a t i o na n dm o d c l i n gb l o c k so f m a a b k e y w o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，f r a m e ，f e a , p r o p o r t i o n a lv a l v e ，m o d e l i n g , f u z z yc o n t r o l 3 插图清单 2 1 机身结构图5 2 2 机身简化受力分析模图6 2 3 上梁截面6 2 4 立柱截面6 2 5 下梁截面- 6 2 - 6a n s y s 程序的集中式数据库系统结构1 0 2 7 机身三维p r 0 e 模型图1l 2 8 机身三维有限元模型图l1 2 9 机身满载时应力分布云图12 2 10 机身满载时中心轴方向应变12 3 1 改进后机身满载时应力分布云图2 1 3 2 改进后机身满载时中心轴方向应变2 l 3 3 优化后三维有限元模型2 2 3 4 结构优化后的应力分布云图2 2 3 5 结构优化后轴向应变分布2 2 3 6a n s y s 优化设计流程图2 4 3 7w t ( 重量) 的收敛情况2 5 3 8 设计变量的迭代过程25 3 9s m a x 的迭代过程25 3 10 设计变量与s m a x 的迭代关系2 5 3 1 1 最终优化后满载应力云图2 7 3 12 最终优化后满载应变云图2 7 3 13 机身拓扑结构密度云图2 9 3 14 拓扑优化后机身结构2 9 3 15 拓扑优化后机身结构满载应力分布云图3 0 4 1 工作模式( a ) 3 1 4 2 工作模式( b ) 3 2 4 - 3 液压机液压原理图34 4 4 系统压力曲线36 4 5 比例电磁铁结构图36 4 6 控制方框图37 4 7 压力机上压头调压调速系统38 4 8 传感器结构39 4 9 光栅读数头4 0 7 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 4 10 莫尔条纹- 4 l 4 1 1 输出波形图4 2 4 12 新型数字化压力机压头组件4 3 5 一l 简化液压回路4 6 5 - 2 简化液压回路键合图4 8 5 - 3 液压缸运动回路键合图4 9 5 4 液压缸运动功率传递方框图4 9 5 5 已增广定向的系统键合图- 51 5 6 系统s i m u l i n k 仿真方框图5 2 5 7 下缸位置控制系统53 5 8 下缸位置控制框图53 5 - 9p i d 控制系统原理框5 4 5 10 模糊控制原理框图5 6 5 - 11 二输入单输出系统图5 6 5 12 输入偏差i e i 的隶属函数5 6 5 13 输入偏差变化率i e c i 的隶属函数5 7 5 1 4 输出变量u 的隶属函数5 7 5 15 模糊控制规则编辑界面58 5 一l6 压力机下压头系统模糊规则观测器5 8 5 17 输入输出量模糊控制关系59 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表5 1 表5 2 表格清单 截面特性参数表7 试验因素水平表l4 正交试验计算结果15 正交试验计算结果极差分析1 6 最大应力回归系数表1 7 最大位移回归系数表l7 重量回归系数表- 18 轻量化前后方案比较2 l 基于上述初步优化后尺寸的机身结构改进前后方案比较2 2 机身整体连续优化数据序列2 5 拓扑化前后方案比较3 0 比例阀和伺服阀主要性能比较3 5 压力机下压头系统模糊控制规则表5 8 模糊控制输出查询表6 1 9 b o n ( x ，y ) ( ，q ，) ( x ，y ，z ) 舶 n 砖q 佘 仃 仃 f e h 符号清单 平衡延迟 位移函数 局部坐标 整体坐标 节点处的位移值 形函数 主应力 等效应力 剪应力 弹性模量 泊松比 直角坐标系应变 剪应变 节点载荷 节点力 单元刚度矩阵 几何矩阵 体积力密度 法向表面力 所有节点位移矩阵 所有节点载荷列阵 三阶雅克比矩阵 弹性模量 泊松比 加载力 总体质量矩阵 总体阻尼矩阵 总体刚度矩阵 节点位移 结构所受外力奶门-一刎刃。明日以帕w：【，厂 时m咖m嗽f m c k 。厂 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 盒妲至些盍堂 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 瞬一吼 签字日期：印j 胡，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些盍堂有关保留、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。本人授权金照 王些_ 丈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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： f 髫j 、唬、 签字日期：p 0 年调旧 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： 电话： 邮编： 致谢 两年半紧张而充实的研究生生活即将结束。在此毕业论文成稿之际，谨以 只言片语向这两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚的感谢。 我首先要感谢我的导师谢峰教授，谢老师为我倾注了大量心血。谢老师严 谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学科发展超前的敏锐洞察能力，令我 由衷钦佩。谢老师不仅在我理论学习和科研中授业解惑，在日常生活中，谢老师 也给了我极大支持和热情关怀。在此，谨向导师表示衷心的感谢! 感谢林巨广教授为我提供了良好的学习研究平台，让我得到了巨大的收获。 感谢丁苏赤老师、任永强老师、周强工程师对我工作能力培养提供的指导 和帮助。 感谢合肥工业大学汽车装备工程技术研究所以及江淮自动化装备有限公司 的其他各位老师、同事、和朋友，感谢我在人生最重要的阶段得到你们的关怀和 鼓励。 感谢我的同学及好友盛军、庆振华、韩江波、魏义、杨洪彬、纪王芳、是 他们的陪伴使我的研究生生活变的丰富多彩。 最后，感谢我的父母和家人，感谢他们对我学业的关怀、支持和无私的帮助， 我将用以后的努力来回报他们l 4 作者：雷小宝 2 0 0 7 年1 0 月2 4 日 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于合肥工业大学汽车装备技术研究所的新型数字化压力机研制 项目。本文主要针对该项目中涉及的压力机数字化控制和轻量化设计的关键技 术进行研究 1 1 2 课题的意义 压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷、橡胶、磁材、 金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工 作。 但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等 参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与 上位机间无法进行通讯，液压回路控制简单，床身结构为经验设计等缺点，无 法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化的开 发进程落后数十年。特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从 而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开 压力机械的使用，压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品 技术要求的提高而需要更新。 因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动 强度将起到重要的作用。也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民 制造业有着深远的意义。 1 2 压力机的概况及发展趋势 1 2 1 国外压力机的概况及发展趋势 目前国外的压力机的设计和制造水平较之我们有很大的优势，早在7 0 年代 末，西德、意大利和日本等国家的一些公司不断推出自动液压压力机。自动液 压压力机的特点是压力大、自动化程度高、调节方便、适应性广8 0 年代初， 自动液压压力机的压力一般不超过6 0 0 吨，8 0 年代中期发展到1 0 0 0 吨，意大 利西蒂( c i t i ) 公司己研制出带有磁力控制装置的2 5 0 0 吨压力机。由于微电子技 术的发展，自动液压压力机普遍采用微型计算机控制。如意大利纳塞蒂 ( n a s s e t t t ) 公司制造的8 0 0 吨和1 4 0 0 吨压力机，控制器可以存入五个压力机 的工作程序，通过键盘可以输入指令修改各个时间继电器的延时时间，以达到 修改压制过程的目的。显示器可以显示出压力机的压制次数、每次的压制压力、 坯体厚度、油漏、循环周期等十多个参数。此外还具有故障显示的功能，这样 为迅速查明和排除故障带来了方便。不少自动液压压力机增设了坯体厚度自动 检测和调核装置，实现了装料深度的自动调节。 目前压力机总的特点是压制力大，主机结构刚度大，压制制度( 压力、速度、 时间) 可调，具有参数数字显示、过程控制、故障跟踪显示、程序存储等完善的 控制功能，自动化程度高生产效率高，节能。 近几年来，国外压力机制造公司对压力机的液压系统作了大量改进工作， 其发展趋势是使液压系统简单紧凑，调节方便，节省能耗，提高系统的稳定性 和可靠性。主要变化如下： ( 1 ) 液压系统的动力源由定量泵改为变量泵。压力机在不同的工作阶段，需 要的流量是不同的，采用变量泵，能根据系统的需要，自动调节泵的流量，从 而可提高效率，节省能耗，减少系统发热。目前采用的变量泵有轴向柱塞恒压 变量泵、径向柱塞恒压变量泵、轴向柱塞恒功率变量泵。 ( 2 ) 采用电液比例控制技术。过去压头速度的控制是在其油路中采用普通换 向阀和节流阀组成的节流调速回路，通过手动调整节流阀节流口的大小，达到 调整其速度的目的，而系统的压力的控制是在其油路中采用溢流阀来控制，这 样控制方式，调节起来很不方便，且具体的速度值不好把握。新一代的压力机， 速度和压力控制分别采用比例调速阀和比例压力阀。比例调速阀是根据输入电 压或电流强度的大小来改变流量的液压阀，比例压力阀是根据输入电压或电流 强度的大小来自动改变溢流阀压力的大小。这些改变能适应现代控制发展的需 要。 1 2 2 国内压力机的概况 我国的液压工业开始于2 0 世纪5 0 年代，其产品最初只用于机床和锻压设 备，后来又用于拖拉机和工程机械。自2 0 世纪6 0 年代开始，从国外引进液压 元件生产技术，同时自行设计液压产品。我国生产的液压元件己形成系列，并 在各种机械设备上得到广泛的应用。目前，我国在消化、推广国外先进液压技 术的同时，大力开展国产液压新产品的研制工作，并己取得一定成效，尤其是 。九五”期间，国内企业己经在5 0 0 0 吨级以下的各种系列压力机市场逐步地取 代了进1 ：3 设备。尽管如此，我国的液压元件和液压产品与国外先进的同类产品 相比，在性能上、种类上、规格上仍然存在较大的差距。 为了迅速赶超世界先进水平，我国有计划地引进、消化和吸收国外最先进 的液压技术和产品，并对我国的液压产业进行整顿，合理调整产业结构，大力 开展产品国产化工作。在2 1 世纪，我国的液压技术必将取得更快更好的发展。 在我国，未来的压力机发展趋势及研究方向是： 1 、压制制度( 压力、速度、) 可调； 2 、具有参数数字显示、过程控制、故障跟踪显示、程序存储等完善的控制 功能： 2 3 、自动化程度高，生产效率高，节能，系统的稳定性和可靠性好等。 1 3 本文研究的主要内容 本文以压力机机身结构的优化设计为核心，同时对压力机液压、控制系统 的设计与分析给予了一定的研究，主要内容如下： 1 、压力机机身结构的轻量化设计。使用a n s y s 软件对机身进行参数化 有限元分析，根据分析结果对其结构进行改进，并利用a n s y s 软件的优化设 计模块，实现对所研制压力机的轻量化设计。 2 、液压系统的设计。通过在该机的液压回路上采用比例压力阀及比例调速 阀等措施可实现对该机的油路压力及压头压装速度的数字无级调节，以满足在 同一台压力机上压装不同零件的要求，并利用一些设计理论、分析方法及仿真 软件，对其工作过程进行了仿真建模，这为以后的快速设计提供了借鉴。 3 、压装过程中压装力与压装位移实时检测技术研究与装备开发及压力机控 制方法的改进构想。通过在压头中设置力与位移传感器，能准确地测量出压装 过程中实际的压装力及压头位移的数值，并能在显示屏上数字显示压装力与压 头的位移之间的二维曲线，从而可实时检测压装质量及判断被压装工件的加工 质量。引入模糊控制的概念，为提高压力机的压装质量提出了研究方向。 本台压力机的研制成功为未来压力机的研究提供了一个方向( 即压力机机 身的轻量化，控制的自动化，功能的多样化) ，对于提高整个装备制造业水平也 具有十分重要的意义。 第二章c 型压力机机身的结构分析与建模 2 1 压力机机身设计方法的发展状况 影响压力机质量的因素很多，其中压力机机身的设计水平是非常关键的一 个因素。这是由机身的受力和结构特点而决定的。压力机机身是压力机的重要 组成部分，其重量约占整机重量的6 0 以上，压力机机身的设计水平，对压力 机的制造成本、技术性能和使用寿命有着决定性的影响”“。 压力机机身设计理论和方法的发展主要经历了经验设计、数值计算、优化 设计几个阶段。 经验设计阶段主要利用材料力学简化方法计算主要部件的强度和刚度，把 机身简化为材料力学范畴的平面钢架，把横梁简化为材料力学范畴的简支梁， 然后按照材料力学的方法进行强度、刚度校核。尽管确认的结构大多数被实践 证明是安全的，但存在设计周期长、结构冗余、材料使用偏保守等弊端，致使 产品重量大，成本高、效益低，削弱了产品竞争力，而且缺乏对设计结果合理 性的验证，计算结果常常与实测值相去甚远。 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，利用精度较高的有限元法进行整体结构分析分析结果的 准确性和可靠性大大提高。这在液压机设计史上是一个非常大的进步。 优化设计阶段，人们把结构优化设计方法引入液压机设计，使设计从安全 校核转变为优化设计。基于有限元的优化方法能从各种可能的结构设计方案中 寻找较完善的或较合理的方案，使材料分配趋于合理，实现了液压机设计的又 一次飞跃1 。 目前，我国液压机本体的整体设计水平还比较落后。尽管一些大中型企业 的设计部门在某些重要的液压机本体设计工作中，对其关键部件已经采用了有 限元分析方法和优化设计方法，但是对于那些典型结构的液压机产品，绝大部 分生产厂家和设计单位，包括大中型企业的设计单位，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，所以导致液压机本体结构 过于保守、设计周期长、效率也较低。这不仅造成了人力和物力的浪费，而且 严重影响着这些企业的市场竞争实力的提高。 2 2 压力机机身的设计 本文所述的压力机机身结构采用的是单柱c 型结构，这种结构的压力机可 适用于轴类、套筒类零件的压装及简单板材零件的拉伸、弯曲、成形、落料等 工艺，该种压力机机身由于其结构易于制造、外形美观等特点，被广泛用于小 4 型压力机的设计中见图2 1 “。c 型结构的机身是压力机的主要部件，直接决 定了压力机的性能，传统的设计方法是采用材料力学简化计算与经验设计相结 合的方法来决定其强度，虽然这种设计方法经过实践证明具有一定的可靠性， 但存在设计周期长、结构欠合理等弊端，致使产品缺乏竞争力，而且缺乏对设 计结果合理性的验证”3 。 图2 1 机身结构图 l 加强筋2 侧板3 上支板4 腹板5 下支板6 底板 利用有限元软件对机身进行静态分析，可以校其强度和刚度，并根据分析 结果进行结构的优化设计。即先利用三维c a d 软件建立机身模型，然后利用 软件接口导入有限元分析软件进行力学分析，根据分析结果可对所设计方案进 行优化，这样可大大提高设计效率，增强市场竞争力。 本文将两种方法有机结合起来予以阐述，希望找出一条具有理论依据的优 化设计方案。 2 3 机身结构分析与计算 2 3 1 结构分析 本文所分析的c 型压力机的床身用于作者与某厂家所研制的双动c 型压力 机，该机具有上、下两液压缸，两缸均可完成压装动作，该机的压装力为1 6 吨。这种机身是一个开口呈c 型的悬臂构件，在上、下安装液压缸处所受的最 大压力为1 6 吨，床身的底面通过地脚螺栓与地面联结。因此，在计算时可将其 当作开口钢架，危险截面在工作台及其与喉口连接处的截面及喉1 3 和上部拐角 的截面。因为c 型机身是开口钢架，所以工作时会产生垂直变形进而导致角度 变形，致使上下支板、侧板和底座之间发生倾斜。这些变形尤其是角度变形将 影响压力机压装精度、加快模具磨损。为了保证所研制的这款压机的可靠性 及系统的准确性和经济性，有必要对其结构进行分析和校核，并为进一步完善 和优化结构设计奠定基础。 2 3 2 机身结构的材料力学简化计算 由图一可见，c 型压力机机身上下梁在工作中承受弯曲和剪切，支柱则承 受拉伸和弯曲载荷，最大应力截面在上下梁与支柱的转角处。转角内侧受拉弯 合成应力，故应力最大，而转角处也是应力集中点。故设计上采取了较大的过 渡圆角半径“。将初步设计的机身上下梁和支柱简化为计算截面如图2 2 ，各 截面图见图2 3 、2 4 、2 5 ： p r 图2 2 机身简化受力分析模型图2 3 上梁截面 x 4 l ， i 图2 4 立柱截面图2 5 下粱截面 其中图2 2 中p 为公称压力，b 为主缸中心线至支柱形心的距离，p b 为转 角处的最大弯矩。 。 6 表2 - 1 截面特性参数表 上梁下梁立柱 惯性矩 j ( j 1 )( j 2 ) ( j 3 ) ( m m 4 )l1 2 9 5 3 5 4 2 6 6 62 4 5 2 0 2 2 1 0 1 3 32 4 8 4 3 0 1 3 3 3 3 4 横截面积 f( f 1 )( f 2 )( f 3 ) ( m m 2 )3 9 3 6 04 8 2 0 2 5 5 9 2 0 立板面积 c 2 3 2 0 01 5 8 0 82 7 5 2 0 ( m m 2 ) 截面高度h 5 8 05 6 08 6 0 ( ，玎，撑) 截面最外点距 截面形心距离h 4 1 93 2 06 3 0 ( m m ) ( 一) 强度计算： 上梁弯曲应力 上梁剪切应力 支柱弯曲应力 弘等叫3 m p a 卵，= 6 0 - 7 一 f ：1 5 + 了p ：1 0 3 4 j 】l 砌剐明：5 0 m p a 凡 仃= 等以s s m p a c 盯= 些掣= 2 5 5 6 m p a ( 受压) 支柱平均拉伸应力盯= ：1 - = 2 8 6 m p a ，3 支柱合成应力 内侧 仃= 1 2 1 9 m p a ( 受拉) 外侧仃= 一2 2 7 m p a( 受压) 下梁与上梁受力条件相同，而且截面刚度更大，强度条件必然满足要求。 ( 二) 刚度计算 主缸中心线对工作台不垂直度最大转角口为： 肚1 7 2 。鲁( 2 酣毛，悔) e q 式中p = 1 6 0 0 0 0 ne = 2 1 * 1 0 5 m p ab = 6 3 0 m m 口= 兰= 2 5 9 占 如= 争= z 加如= 妻= - m 代入计算得e = 1 7 6 7 对于一般校正压装压力机，许用角位移大多取6 ，故刚度满足要求 2 4 机身结构有限元分析 2 4 1 有限元静力分析原理 有限单元法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，其基本思想是 通过节点或单元描述，把复杂的结构合理的划分为可以计算的微小单元，通过 有限个单元的组合求出由单元描述的结构整体行为。用有限元进行分析时，首 先将被分析物体离散成为许多小单元，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果。 有限元法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 的计算复杂形状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利 分析工具3 1 ”。 本文中假设机身构件为线弹性体，各单元处于小变形范围，满足弹性力学 的基本假设，有限元计算模型离散化后静力方程可写为： k u = f )( 2 1 ) 式中 k 为结构的整体刚度矩阵； u 为结构上各离散点的位移向量； f ) 为结构 中所受的外力向量。其中 k = 【k 】8 ； k 为单元的剐度矩阵。 k 2f 曰r d b d x d y d z( 2 2 ) b 为单元的几何矩阵； d 为材料的弹性矩阵。 根据建立的有限元模型和材料特性，可得方程( 3 1 ) 的各项系数，又根据 载荷及边界条件可以得到所求结构各点位移 a ) ，各离散点的位移为： u = n a ) 。 ( 2 3 ) n 为形函数 单元上各点的应变为：( ) = b a 。 根据弹性力学方程计算出应力 仃 = d ) 。 a 、 u 、【) 和 仃 的表达式分别为 a ) 。eu j v f w i u v j w j u _ v m w 。u ，v , w a 7 川 “】= v = m 似。= 【n , ：n n 川) 8 【wj ) = 眩，靠，】7 = 毫，嘉，薯，考+ 罢害+ 等，警+ 7 = 。2 面i 面+ 面云+ 面面+ 到2 【驯 卅= 【q ，盯，吒，t o , ，f 。，吃】1 = 【d 】斜= 【d i b 】 4 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中u t ，“。，蜥为单元四个节点的x 方向位移；u 为单元内任意点的x 方向位 移；m ，v j ，v 爪，为单元四个节点的y 方向位移；v 为单元内任意点的y 方向位移； ，h ，w 为单元四个节点的z 方向位移；w 为单元内任意点的z 方向位移； j ，m ，f 为形函数；i 为三阶单位矩阵。 强度校核按照第四强度理论，以v o nm is e s 应力作为参考值，计算公式为 2 4 2a n s y s 软件概述 ( 一) 软件简介 a n s y s 软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件。它融结 构、热、流体、电磁、声学于一体，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航 空航天、机械工程、工木工程、汽车交通、能源、电子、国防、地矿、水利、 日用家电等工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包 括：结构高度非线形分析、电磁分析、计算流体动力分析、优化设计、接触分 析、自适应网格划分、大应变有限转动功能以及利用a n s y s 参数设计语言 ( a p d l ) 的扩展宏命令功能。基于m o t i f 的菜单系统使用户能够通过对话框、 下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择。进行产品设计时，使用a n s y s 软件对产品性能进行仿真分析，可以发现产品问题，降低设计成本，缩短设计 周期，提高设计的成功率。 a n s y s 软件是现代产品设计中高级的c a d c a e 软件之一，它能与大多数 c a d 软件实现数据共享与交换，如p r o e ，n a s t r a n ，a l g o r ，i - d e a s 和 a u t o c a d 等。由c a d 软件生成的模型能与a n s y s 软件共享数据接口的文件 格式有p r o e ，u n i g r a p h i c s ，c a d d s ，i g e s ，s a t 和p a r a s o l i d “1 。 ( 二) 软件特点 用户界面 a n s y s 的友好的图形用户界面和其优秀的程序架构使其易学易用。该程 序使用了基于m o t i f 标准的易于理解的用户界面( g u i ) ，可以方便地交互访 问程序的各种功能、命令、用户手册和参考资料，并可进一步地完成整个分析， 同时该程序提供了完整的在线说明和情况途径的超文本帮助系统，以帮助有经 验的用户进行高级应用。在操作时，a n s y s 程序提供了四种通用的命令输入方 法：菜单、对话框、工具栏和直接输入命令。 图形 完全交互式图形是a n s y s 程序中不可分割的重要组成部分，图形对于校 验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。 9 处理器 一个高效的有限元软件，通常包含多种条件下的有限元分析程序，以及功 能强大的前置和后置处理等程序。前置处理包括：选择所采用的单元类型，单 元划分、确定载荷类型、边界条件、材料特性等；后置处理器自动处理分析结 果，并根据计算的要求，以需要的方式将结果显示出来；另外a n s y s 还有几 个辅助处理器如优化器等。 数据库 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库结构，用来存贮所有模型数据及求 解结果。参见图2 6 。模型数据( 包括实体模型和有限元模型，材料等) 通过 前处理器写入数据库，载荷和求解结果通过求解器写入数据库。数据一旦通过 某一处理器写入数据库中，即可根据需要为其它处理器所用。例如：通过后处 理器不仅能读求解数据，而且能读模型数据，然后利用它们进行后处理计算”1 。 后处理过程 图2 6a n s y s 程序的集中式数据库系统结构 2 4 - 3 有限元静力分析 ( 一) 几何模型的建立 模型创建应用p r o e 软件完成，因为压力机械的机身属于大型复杂结构件， 结构细节多。形状变化大。因而在建模前需对计算机身进行一些合理的简化。 仔细分析设计图纸后，据该结构的设计形式与受力特点，可以将一些细节忽略： 如将尺寸较小不作为主要承力部分的开孔和尺寸较小的板块略去；对于明显不 会影响床身整体强度、刚度的部位，如某些螺孔、销孔略去等。而对于用于减 轻机身重量的一些开孔进行了保留。建好的模型如图2 7 “。 1 0 图2 7机身三维p r o e 模型图图2 8机身三维有限元模型图 ( 二) 将模型倒入有限元分析软件 a n s y s 软件安装选项中包含与p r o e n g i n e e r 软件的接口模块“c o n n e c t i o n f o rp r o e n g i n e e r ”。此模块不仅能将p r o e 模型数据直接转换给a n s y s ，同时 还提供了以执行部件为基础的参数优化设计功能。该功能允许从建立以部件为 基础的参数化p r o e 模型开始，用a n s y s 程序对其进行优化，并以一个优化的 模型结束，而且建立好的模型仍是以部件为基础的参数化模型。此模块能给工 程人员在有限元分析过程中考虑采用何种前后处理提供最好的支持利用软件 自带接口能够快速准确地导入数据，本文即是应用此方法将构建的机身模型直 接导入a n s y s 中，对其进行有限元仿真分析“”。 ( 三) a n s y s 有限元分析 将p r o e 中构建三维实体模型导入a n s y s 后，根据实际工作过程中承受的 载荷状态，对压力机的应力场进行有限元仿真分析，确定压力机机身的最大应 力值和位置，分析所设计的机身结构参数及选用的材料是否满足使用要求，并 以此为基础实现压力机机身的优化设计。其分析过程如下“川： ( 1 ) 单元类型的选择 确定有限元单元类型对有限元分析来说非常重要，单元类型的选择不仅影 响到网格的合理划分，而且关键是对求解的精度影响很大。考虑到机身的复杂 程度、精度要求以及计算求解时间等实际因素，采用s o l i d 单元，类型为s o l i d 9 5 。 ( 2 ) 添加材料常数 选用的材料为q 2 3 5 钢，弹性模量e = 2 0 6 e 5 m p a ；泊松比l a = 0 3 。 ( 3 ) 划分网格 采用智能网格划分工具“s m a r t s i z e ”。s m a r t s i z e 是a n s y s 提供的强大的 自动网格划分工具，使用s m a r t s i z e 有利于在网格生成的过程中生成形状合理 的单元如图2 8 所示。 ( 4 ) 施加约束 施加边界约束条件是有限元分析过程的重要一环。边界条件是根据物理模 型的实际工况在有限元分析模型边界上施加的必要约束。边界约束条件的准确 度直接影响有限元分析的结果。在有限元分析中确定边界条件一般应做到以下 几条：要施加足够的约束，保证模型不产生刚体位移；施加的边界条件必须符合 物理模型的实际工况；力求简单直观，便于计算分析。 本文对机身取静力分析，对机座底部的所有自由度进行约束。 ( 5 ) 施加载荷 考虑到该压力机在空载和加载时存在多种工作状态，均有相应设计要求， 选择其中最恶劣的工作状况进行分析；即计算压力机满载工况下机身的受力与 变形情况。已知该型压机所受最大载荷即公称力1 6 0 k n ，该力的作用通过液压 缸与机身装配处传到机身上，因此可以把公称力平均分解到安装液压缸的位置 的锪孔底平面上。 ( 6 ) 求解及后处理 a n s y s 提供了2 个后处理器：本文采用通用后处理器对求解结果进行后处 理。通过应力、应变云图的彩色分布，以不同颜色表示不同范围的应力值。可 形象直观的观察到机身内部的应力应变分布情况。如图2 9 、2 1 0 所示分别为 所设计的机身在本文载荷作用下的应力分布云图和沿中心轴方向的应变云图。 图2 9机身满载时应力分布云图图2 1 0机身满载时中心轴方向应变 由应力云图可以看出，机身承受的最大应力为= 1 5 7 5 9 5 m p a ，为机身 局部载荷，集中于支板上的液压缸安装定位处，这也是整个机身变形最大的部 位，而其他部位应力均不是很大。查阅机械设计手册得q 2 3 5 钢的屈服极限为 2 3 5 m p a ，虽然最大应力小于机身所选材料的许用应力( 2 3 5 m p a ) 要求，但由图 2 9 可见机身侧板、腹板及由底板设计时取的安全系数过大这样就导致大量钢 材的浪费，且由图2 1 0 中心轴方向应变云图可见床身的最大变形为 屯，= 0 9 3 2 1 5 r a m ，位置在上支板液压缸定位处外侧。为了降低钢材的使用量， 下面本文将在保证强度的前提下，对其危险截面钢板的厚度进行正交试验，找 出优化方案。 2 s 压力机机身质量影响因素分析 2 5 1 压力机机身结构的参数化有限元模型 在下面的正交试验设计中，需要多次对不同结构参数的机身结构进行有限 元分析。由于座板结构复杂，三维有限元建模要花费大量的时间和精力，可以 采用参数化方式建立座板的有限元模型。 本文采用有限元软件中提供的参数功能，建立机身的参数化模型，具体步 骤如下“”： ( 1 ) 定义参数 有限元软件中使用参数可以方便用来改变尺寸和有限单元的划分等。已定 义的参数可用于之后的命令响应。例如，下面对机身结构的正交试验中，以各 板的厚度为考虑因素，将它们定义为参数。 ( 2 ) 生成样本进程文件 在建立模型的过程中，有限元软件自动生成进程文件。进程文件记录了执 行过的所有建模和分析命令，调用进程文件可以自动执行其中的命令。首先按 所定义的参数和其余结构尺寸建立机身的三维有限元模型，保存进程文件，将 其作为生成其它模型的样本进程文件。 ( 3 ) 在样本进程文件中改变相应参数值 按试验要求改变样本进程文件中参数的数值，为进入下一个有限元分析提 供进程文件。 ( 4 ) 调用进程文件自动生成有限元模型 进入新的分析，调用改变后的进程文件，即可自动生成新的结构模型模 型生成后。再进行分析计算，得到试验结果。 在机身的正交试验设计和优化结果的验证中，采用参数化的有限元建模方 法大大减轻了工作量，缩短了试验时间。 2 5 2 正交试验设计“” ( 一) 试验目的 通过正交试验，找出在满足机身强度及刚度的前提下，影响机身重量的主 要因素，以便于为后续试验和改进机身结构的设计提供依据。 ( 二) 确定因素、水平和指标 ( 1 ) 试验指标和因素的选取 根据上面对上梁结构方案的分析和试验的目的，选取压力机机身的最大应 力、最大变形量以及机身重量为正交试验的试验指标。影响该试验指标的因素 有很多，由于机身的结构限制较大，仅以加强筋、侧板、上支板厚度x 1 ，x 2 、 x 3 。腹板厚度x 4 、下支板厚度x 5 为考虑因素，忽略其它因素的影响，见图2 3 、 2 4 、2 5 。 ( 2 ) 水平的确定 为了便于衡量各因素对试验指标的印象，选取最初的设计尺寸作为基本尺 寸，每个尺寸以此为基准上下变动，变化幅度大致相等。每个因素的水平数为 4 ，这样可以获得表2 2 。 表2 - 2 试验因素水平表 因素 水平 上支板厚度侧板厚度加强筋厚度腹板厚度下支板厚度 x 1 ( m )x 2 ( m m )x 3 ( m m ) x 4 ( m m )x 5 ( m ) 14 01 62 05 04 5 24 41 42 54 55 0 34 81 23 04 0 5 5 45 21 03 53 56 0 ( 三) 试验结果及分析 ( 1 ) 试验结果 通过以上分析可以知道这是一个5 因素4 水平的试验，应该选用厶。( 4 5 ) 型 正交表，内容如表3 。在表的上方分别填写影响试验指标的因素a ，b ，c ，d ， e ，每一列代表一个因素由于在该试验中不考虑因素与因素之间的交互作用， 正交表的表头是任意选取的，只要保证每列仅安排一个因素，就可以在任意一 列安排。 1 4 表2 - 3正交试验计算结果 试验 x l ( m m )x 2 ( m m )x 3 ( m m ) x 4 ( m m ) x 5 ( m m )最大应 最大位机身重 号力( m p a )移( m m )量( k g ) 14 01 62 0 5 0 5 01 5 7 5 9 50 9 3 2 21 4 9