（机械制造及其自动化专业论文）大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计.pdf

侦l j 论义人吨位拉深液k 机的组合机身结构分析和优化1 1 2 计 摘要 液压机是制品成型生产中应用最广泛的装备之一。液压机的传统设计方法存在设 计周期长、结构冗余、成本高等弊端，因此随着制造业的高速发展，丌发高性能的液 压机需要我们引入现代设计理念进行机身的辅助设计。本文就是采用有限元法来分析 和优化液压机机身，以指导其结构的改进。 本文在详细介绍液压机结构分析和优化的发展情况的基础上，研究了某型液压机 的结构特点，并采用s o l i d w o r k s 进行三维实体建模，以a n s y s 软件作为分析工具，采 用预紧单元法模拟机架的预紧力作用。 进行有限元三维整体接触分析，得出液压机的静态特性，从而揭示整体机架及各 部件结构的应力和位移分布规律，并且对预紧状况进行分析。 基于有限元分析结果，采用a p d l 语言重新建立上横梁、下横梁的参数化模型， 并以部件总质量为目标函数，采用子问题优化算法，分别对上横梁、下横梁结构进行 了优化，获得最佳的结构设计参数。 选用兰索斯法对优化后的机架进行预应力模念分析，获得了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液压机工作性能的影响 进i j 二分析。 关键词：液压机，有限元，静态特性，模态分析，优化设计 a b s t r a c tf 0 ； l j 论义 ab s t r a c t h y d r a u l i cp r e s si so n e o ft h em o s tu n i v e r s a le q u i p m e n ti nt h ep r o d u c t i o no fm o l d i n g t h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o ds u c ha sl o n gp e r i o d s t r u c t u r e r e d u n d a n c y ，h i g hc o s te t c a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g ，i ti s n e c e s s a r yt h a tw es h o u l di n t r o d u c eam o d e md e s i g ni d e a lt oa s s i s tt h ed e s i g no ft h ef r a m e f o rt h ee x p l o i t a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c eh y d r a u l i cp r e s s t h ef r a m eo fh y d r a u l i cp r e s si s a n a l y z e da n do p t i m i z e d ，a n dt h es t r u c t u r ei m p r o v e m e n ti sg u i d e d 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 ft h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h e f l a m ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m es t r u c t u r ei ss t u d i e d t h e s o l i dm o d e li sb u i l tw i t hs o l i d w o r k sa n dt h em o d e li sa n a l y z e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r e p r e t e n s i o no ft h ef r a m ei ss i m u l a t e db yw a yo f p r e t e n s i o ne l e m e n t s t a t i cp e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cp r e s si sg o tb yu s i n g3 - d i m e n s i o ni n t e g r a lc o n t a c t i n g a n a l y s i s ，s ot h ed i s c i p l i n eo fs t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ef l a m ea n di t s a s s e m b l ya r eo b t a i n e d ，a n dt h e nt h es t a t u so fp r e t e n s i o ni sa n a l y z e d b a s e do nt h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h e p a r a m e t e r i z e dm o d e lo ft h e a b o v eb e a ma n dt h eb e l o wb e a ma r er e b u i l tw i t hl a n g u a g ea p d lo fa n s y ss o f t w a r e ， s u b p r o b l e mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sa d o p t e da n dt h e i rw e i g h t sa r eu s e da st h eo b j e c t f u n c t i o n ，t h e nt h eb e s ts t r u c t u r ed e s i g np a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d l a n c z o sm e t h o di su s e di np r e t e n s i o nm o d a la n a l y s i so ft h eo p t i m i z e df r a m e t h e d y n a m i cp a r a m e t e r s o ft h ef l a m es u c ha s p r e v i o u s t e nn a t u r a l f 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 eo ns e r v i c e p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t a t i cp e r f o r m a n c e ，m o d a l a n a l y s i s ，o p t i m u md e s i g n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：型 沪3 年月瑚日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 l 以年g 月a 鲁日 硕士论文大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 1 绪论 锻压设备是一种重要的生产工具，广泛应用于国民经济各个领域。液压机作为锻 压机械的一种，具有功率大，精度高，规格多的特点【1 】。随着制造业的发展，大型精 密拉深件制品的需求快速提高，不仅要求其制造装备的数量大幅增长，而且对其精度、 生产效率、自动化程度提出了更高的要求。同时，拉深件制品的品种越来越多，生产 批量越来越小，为了适应拉深件制品的高精度、高效率、多品种、小批量的要求，世 界各国都在研制新型拉深设备，液压机由于其众多的优点，理所当然地成为了最为理 想的成形设备。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 仅能够实现对复杂工件以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、难成形以及高强度的材料的加工。可变的动力组合、短的加 工时间、根据工件长度的简易的压力行程调整，这与机械加工系统相比，具有较大的 优越性。因此，液压机特别是高性能液压机的技术进步已成为装备制造业发展的一个 重要环节。 1 1 液压机机身结构分析和优化的发展概况 液压机是利用液压传动【2 】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。与其他压力机相比，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。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。影响液压机质量的因素很多，其中液压机的设计水平是 非常关键的一个因素。液压机设计的重点是机架设计，这是由于机架的受力和结构特 点而决定的。液压机机身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决定性的影 响。 液压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的简化方法来计算主要部件的强度和刚度，把机 架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 第1 章绪论 硕士论文 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 3 。 目前我国液压机机身的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的 床身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期长，制造成本高，更 新换代慢，这些问题使得国产液压机在高档次液压机领域内无法与国外液压机相抗 衡。随着中国加入w t o ，中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为 强大的竞争对手，为此，中国的液压机制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先 进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国液压机的设计与制造水平，在新的市场 环境中积极参与竞争。随着c a d c a m c a e 技术的日益普及和应用，有限元方法等现 代结构分析方法己为工程技术设计人员广为认识和发展，在机床设计中得到广泛的应 用，并取得了显著的技术经济效益。 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。它的基本思想是化整为零，积零为 整，把一个原来是连续的物体分为相互连接的有限个单元，在有限个节点上，承受 与实际载荷等效的节点力，并根据其平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把 这些单元变形组合成整体进行综合求解。1 9 6 0 年克劳夫首次提出“有限元法”这个名 词。从此，有限元法正式作为一项数值分析方法出现在工程技术领域。此后几十年 间，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 ，a b a q u s ，a l g o r 等，被广泛地应用到各种结构和场问题的分析领域中。 我国在6 0 年代初，由大连理工大学的冯康教授等，开始了对有限元的研究；在7 0 年代包括北京工业大学在内的许多高校，开始研究将有限元应用于锻压机械设计，并 取得了很大成绩；液压机的有限元分析主要是从8 0 年代开始的，曲庆璋，梁兴复对多 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厶【4 1 。近年来， 这方面的研究逐渐增多，领域不断扩大和深入。高素荷，郭玉玺对高精密度液压机机 架进行多工况应力应变分析研究，掌握了整体机架在各载荷工况下的力学特性及变形 和应力分布【5 】。李德军，李培武对2 2 m 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，并且通过模态分析得出机身的前 十阶固有频率和相应的振型。在此基础上，总结了该机身设计的力学特点，指出了进 一步改进的方向与措施，这对于同类锻压设备的设计及静动态计算具有重要的参考价 2 硕士论文大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 值【6 1 。吴生富，聂绍珉用三维有限元接触计算方法分析了大型锻造液压机全预紧机架 的整体工作性能，较为确切地计算了各部件的变形及彼此间的接触内力分布，并给出 了梁一柱结合面缝隙的具体形态l 7 1 。吴生富，金淼对大型锻造液压机机架的整体性及 上梁刚度等因素对整体性的影响进行探讨，为压机的整体性技术提供了理论指导【8 】。 叶宏克，周照耀，邵明针对2 0 0 矾n 数控精密金属粉末液压成形设备的框架机身进行 了结构分析和优化设计，对框架机身的简化模型进行静、动态有限元计算。在静态分 析中对其进行强度校核和刚度校核，通过模态分析给出了机身振动的固有频率及相应 振型。在此基础上，采取结构改进措施，降低了设备机身的制造成本，保证了设备性 能【9 】。宋雨芳对单柱液压机机身进行优化设计，通过对三种机身有限元计算结果的比 较，选用了最合理的优化设计方案 1 0 】。刘茜，石维佳利用有限元分析软件a n s y s 提 供的a p d l 语言，实现了对液压机的有限元建模和参数化分析，结果表明，这种方法 避免了大量重复的有限元建模与前、后处理操作，明显提高了产品设计效率【1 1 1 。刘广 君，贾延依据对液压机下横梁有限元结构分析的结果，编制了相关程序并进行了优化， 获得了理想的结构参数，为液压机横梁结构设计提供了新的思路和方法【l2 1 。郑州大学 秦东晨，祁建中，张明成研究了液压机横梁的结构特点及设计方法，提出利用结构优 化设计方法对横梁进行结构设计，并对其中的一些关键理论和技术进行了研究，包括 横梁结构的有限元分析、优化方法选择、敏度分析和结构重分析，并应用于y 3 2 5 0 0 b 四立柱液压机下横梁的结构设计，得到了满意的结果【l 引。陈永光，郭钢应用i d e a s 软件对某型液压机工作台和上横梁在工作情况下的应力和变形进行分析研究，为液压 机的结构改进和优化设计提供了依据【l4 1 。余心宏，张盛华对1 2 5 m 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掣 】。 综合上述分析可知，在液压机机架设计研究上，己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 ) 对普通机架研究的比较多，对组合机架研究的比较少： ( 4 ) 只注重研究，不注重应用。 第1 章绪论硕士论文 1 2 有限元分析方法 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题代 替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成， 对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 ( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为 实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元 不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在 几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆来求 得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵 近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引 起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的 快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学 技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于 相对小的子域中。2 0 世纪6 0 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克劳夫 ( c l o u g h ) 教授形象地将其描绘为：“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片函数”，即有 限元法是r a y l e i g hr i t z 法的一种局部化情况。不同于求解( 往往是困难的) 满足整 个定义域边界条件的允许函数的r a y l e i g hr i t z 法，有限元法将函数定义在简单几何 形状( 如二维问题中的三角形或任意四边形) 的单元域上( 分片函数) ，且不考虑 整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。 1 3 基于有限元的优化技术 1 3 1 优化原理与有限元法相结合 优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计 要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。 优化问题的数学模型可表示为： m i n f ( x ) - f ( x 1 ，x 2 ，x 。) ( 1 3 1 ) 4 s t g i ( x ) = g i ( x 1 x 2 ，x 。) s0 ( i = l ，2 ，1 t i ) ( 1 3 2 ) h j ( x ) 2 9 j ( x l x 2 ，x 。) 0 ( i = 1 ，2 ，n ) ( 1 3 3 ) 硕士论文 大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 x = 【x 1 x 2 ”x n 】t f ( x ) 为目标函数，是设计变量的函数，用来评价设计方案的优劣，优化问题即为 求目标函数的极值，g ；( x ) ，h i ( x ) 为约束条件，是设计变量取值范围及状态变量空间 范围的限制条件，是设计变量的函数。x 为设计向量，由设计变量形成，是设计中需 优选的设计参数，每个设计向量即为一个设计方案，设计向量的集合为设计空间r ， 满足约束条件的设计向量的集合为可行域。 求解优化问题的方法一般采用数值迭代法如罚函数法( s u m t ) ，将约束优化问题 转化为非约束化问题，通过迭代，逼近目标函数极值。有限元法与优化方法是工程分 析中最主要的两个数学工具，将两者有机地结合起来，充分发挥有限元法数值计算准 确性及优化方法求极值的高效性，将在工程分析中发挥巨大的威力。 由于传统优化方法求解的基本前途在于目标函数及状态变量的函数方程的建立， 而对于大型复杂结构的有限元模型来说，要想得出目标函数及状态变量的解析表达式 是十分困难甚至是不可能的，为了将有限元法与优化方法结合起来，则必须给出目标 函数，状态变量函数的显函数表达式。为了解决这一问题，可以采用曲线拟合的方法， 人为地形成目标函数及状态变量的近似函数表达式，目标函数与状态变量均可采用如 下形式的拟合曲面程t *n - 1 h = + a i x i + 岛# + x , x j ( 1 3 5 ) i = ii = 1 i = 1j = l 其中x i ( i - 1 ，2 ，n ) 为设计变量。 为了进行曲面拟合，首先通过定义和随机生成的办法产生k 组合设计变量，通过 有限元法求出相应的各组目标函数及状态变量的计算结果，为了较好地进行拟合，k 的值应大于未知函数的系数的数目，即k 坐掣+ 1 。由各组结果得出总的加权最 ”- ”一l = z d - 乘误差为： kk e 2 = e 三= w k ( 一一h 足) 2 = s ( a o ，a l ，c n - l , n ) a j(13in 6 ) 一j 一 、vij、7 k 1k 1 k 为设计变量的组数，j i z 晖为由有限元法算出的第k 组设计变量对应的h 值， w 购为第k 组设计变量的权，其值可根据第k 组设计变量与当前最小目标函数对应的 设计变量的设计空间距离及目标函数值确定。 根据最小二乘原理，求e 2 的极小值，得正则方程组： 5 第1 章绪论 硕士论文 一o s ：0 ( 1 3 7 ) o a , 、 i a s ：0( 1 3 8 ) 弛 、 当：o ( 1 3 9 ) o c 解此方程组可得q ，6 f ， c u ，由此可得拟合形式的目标函数及状态变量，之后，利 用各种优化方法，通过优化迭代，可得出目标函数的极值【1 7 1 。 在实际工程设计中，一个产品或一个零件的设计往往存在多个可供选择的设计方 案。优化设计就是要在所有的设计方案中寻求一个最佳设计，使得选定目标在满足给 定的限制条件下达到最优。优化设计是一门以数学规划为理论基础，以计算机为工具 的现代设计方法，是c a e 技术的重要组成部分【3 j 。 优化设计是一种寻找结构最优设计方案的技术。其基本原理是在保证寓品达到某 些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过构建优化模型，运用各种优化方法， 通过多次的迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优化设计方案，因而采用优化设 计方法能大大提高设计效率和设计质量【l 圳。例如，在满足结构强度和刚度要求的前提 下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻，这不但使得结构在耗材上得到了节 省，在运输安装方面也降低了成本。一个典型的c a e 优化过程通常需要经过以下的步 骤来完成【1 9 】【2 0 】： 1 ) 描述：方程问题：获取材料的机械性质及几何条件、外力、边界条件； 2 ) 参数化建模：利用c a e 软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据( 设计变量) 定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能； 3 ) 求解：对结构的参数化模型进行加载与求解； 4 ) 后处理：把状态变量值( 约束条件) 和目标函数值( 优化目标) 提取出来供优化处理器 进行优化参数评价； 5 ) 优化参数评价：优化处理器根据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作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了 最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环，否则根据 已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环并获取优化设 计变量值和目标函数值。 6 硕士论文大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 1 3 3c a e 方法中优化技术的特点 作为优化技术与c a e 方法完美结合的产物，c a e 优化方法除了具有计算模型的参 数化、迭代过程的自动性等基本特征外，还具有以下特点【2 0 】： 第一，应用领域相当广泛。现代c a e 技术的发展已使人们的分析领域扩展到了各 行各业的每个角落，所研究问题的深度及综合程度都在逐步提高，研究者的目光已从 单一场分析转向了多场耦合分析，以追求更为真实的模拟结果。c a e 软件的优化技术 的适应范围也必然随之扩展，不但要求它能解决各种单场问题，而且应该能处理多场 耦合过程的优化。 第二，统一的数据库。一个优化迭代过程通常是从前处理开始，经过建模、划分 网格、加载、求解和后处理，而优化问题通常需要较多的迭代才能收敛。因此，软件 具有统一的数据库是高效的c a e 优化过程的前提，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，而不足通过数据文件来传递。 第三，模型参数化。优化过程实际上是一个不断自动修正设计参数的过程，c a e 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 设计数据可以参数化，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，高精度网络。此乃成功是有限元分析的关键因素之一，一个良好的c a e 软件要想很好地处理优化过程，尤其足形状优化问题，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奇异化问题。 第五，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隋况决定， 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，人不能过多参与，因此，非线性收敛的智能控制技术列非 线性优化问题是不可缺的。 1 4 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 是目前国际上著名的有限元软件之一，该软件是集结构、热、流体、 电磁场、声场和耦合场分析于一体。a n s y s 广泛应用于机械、航空航天、能源、 交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学研究等众多领域。 a n s y s 作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要 表现在以下几个方面： 1 ) 数据统一。a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前 后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 2 ) 强大的建模能力。a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y s 的g u i ( 图形 7 第1 章绪论 硕士论文 界面) 就可建立各种复杂的几何模型。 3 ) 强大的求解功能。a n s y s 提供了数种求解器，用户可根据分析要求选择合 适的求解器。 4 ) 强大的非线性功能。a n s y s 可以进行几何、材料及状态非线性分析。 5 ) 智能网格划分。a n s y s 可根据模型的特点自动生成有限元网格。 6 ) 良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方 案：利用a n s y s 的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材 料的最佳利用。 7 ) 可实现多场耦合功能。a n s y s 可以研究各物理场间的相互影响。 8 ) 提供与其他程序接口。a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析软件 的接口程序，可实现数据共享和交换。 9 ) 良好的用户开发环境。a n s y s 开放式的结构使用户可以利用a p d l 、u i d l 和u p f s 对其进行二次开发。 结构分析是a n s y s 功能之一，其中包括：静力分析( 用于分析结构的静态行 为，可以考虑结构的线性及非线性特性) ；模态分析( 计算线性结构的自振频率及 振型) ；谱分析( 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应 变) ；协响应分析( 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应) ；瞬态动 力学分析( 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的 结构非线性特性) ；特征屈曲分析( 用于计算线性屈曲荷载，并确定屈曲模态形状) ； 专项分析( 断裂分析，复合材料分析，疲劳分析) 等【l 引。 1 5 课题研究内容 本项目开发的拉深液压机广泛应用于具有金属薄板件冲压拉深成形工艺的汽车、 电力、家电等行业。国内经济总量的持续增长，给各行各业带来了无限的发展良机， 特别是制造业对普通液压机的需求己趋于饱和，对中高档液压机提出了更高的要求和 需求，其中最突出的是各类汽车制造行业。因此某公司提出开发具有大型化、精密化、 柔性化、数控化，智能化和成套化等技术优势的全新的高性能液压机，而其中的大吨 位框架式机身优化设计技术是重点关键技术之一。因此需引入现代设计理念与手段进 行机身的辅助设计。设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到 设计参数的初始值，然后用s o l i d w o r k s 进行辅助实体造型，并对其中分模型按装配关 系组合起来即可得到主机框架模型，然后通过s o l i d w o r k s 提供的数据接口，把整个模 型传递到a n s y s 环境，进行有限元静态、动态特征分析，对液压机主要部件进行优 化，来指导机身的结构的改进，达到减少应力集中，减轻重量、降低成本的目的【n l 】。 硕士论文 大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 本课题的主要研究内容有： ( 1 ) 对某型液压机的上横梁、下横梁、立柱、工作台等主要部件进行三维实体建模， 进而将这些部件装配成液压机整机模型。 ( 2 ) 对机身框架结构进行分析，并对有限元模型建立过程中的各部件之间的接触的设 置、单元类型选取及划分的一般原则、结构预紧及预紧单元法和边界条件进行了阐述。 ( 3 ) 整机机架的静态特性分析：主要研究在公称压力作用下的机架的静态分析，从而 揭示机架及各横梁结构的应力和位移分布规律，对强度和刚度进行校核，并且对预紧 状况进行分析。 ( 4 ) 基于有限元分析结果，以部件总质量为目标函数，确定关键的尺寸变量，对上横 梁、下横梁进行结构优化，获得结构的最优设计参数，为改进结构提供依据。 ( 5 ) 选用兰索斯法对优化后的机架进行预应力模态分析：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液压机工作性能的影响进 行分析。 9 第2 章机身结构有限元模型的建立 硕士论文 2 机身结构有限元模型的建立 2 1 液压机主要设计技术指标 液压机的基本性能参数是液压机的主要设计标准，是根据液压机的工艺用途及结 构类型来确定的，反映了液压机的工作能力及特点，也基本上定下了液压机的轮廓尺 寸及本体重量。 本项目的液压机的主要设计技术指标如下( 考虑到公司的技术机密，仅提供部分 技术参数) ： 公称压力：1 6 0 0 0 k n ； 回程速度：6 5 0 m m s ，下行速度：6 0 0 m m s ； 液压机整体尺寸：长宰高术宽= 6 5 5 0 m m * 9 4 0 0 m m * 3 0 0 0 m m ； 立柱中心距：l * b = 5 6 0 0 m m * 2 2 6 0 m m 工作台尺寸：4 6 0 0 m m * 2 5 0 0 m m ； 精度：在现行标准上提高3 0 ； 组合机身的预紧系数取1 2 5 1 滑块行程次数：常锻时8 1 0 次分钟，冲击频率为o 1 3 3 3 0 1 6 6 7 h z ；精锻时3 5 - 4 5 次分钟，冲击频率为o 5 8 8 3 0 7 5 h z ； 上横梁每米跨度上许用挠度取值为o 1 8 ，许用挠度为5 6 0 0 * 0 1 8 = 1 0 0 8 m m ； 下横梁每米跨度上许用挠度取值为0 1 3 ，许用挠度为5 6 0 0 * 0 1 3 = 0 7 2 8 m m ； 工作台许用挠度要求为长度的1 5 0 0 0 ，许用挠度为4 6 0 0 * 0 2 = 0 9 2 m m ； 液压机整体机架变形许用值 f s ( 0 3 0 0 5 0 ) p = 4 8 8 m m ，其中p 为液压机的公 称压力【3 7 】： 液压机的各板材料是a 3 钢，密度为7 8 6 e 3 堙f n 3 ，屈服极限为2 3 5 m p a ，安全 系数取1 8 ，许用应力为1 3 1 m p a 。 2 2 实体模型的建立 2 2 1 机身简介 机身是液压机的一个基本支撑部件，工作时承受全部变形力。因此机身的合理设 计对减轻液压机重量，提高液压机刚度，以及减少制造工时，都有直接的影响【2 2 】。 本项目研制的某型液压机广泛应用于具有金属薄板件冲压拉深成形工艺的汽车、 1 0 硕士论文 大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 电力、家电等行业，是典型的三梁四柱结构，如图2 2 所示，它由上横梁、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。其结构如图 2 2 1 所示。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。工作缸是固定在上横梁上，工作缸内装有工作柱塞，柱塞与滑块相连接。 滑块以四个立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。当高压液体进入工作缸后，对 柱塞产生很大的压力，推动柱塞、滑块向下运动，使工件发生塑性变形。上横梁的两 侧还有回程缸，当高压液体进入回程缸时，推动回程柱塞向上，通过顶部拉杆，带动 滑块实现回程运动。液压机的工作循环一般包括停止、充液行程、工作行程及回程。 fli 1 、 】 _ _ _ _ 一 l _ j _ j l i广 l ，廿 图2 2 1 液压机预紧机架结构简图 f i g2 2 1s t r u c t u r eo ft h ep r e s t r e s sf l a m e 2 2 2 建模方法 有限元分析的建模主要有三种方法【3 1 1 3 2 】： 、 ( 1 ) 利用有限元软件的实体造型功能，首先创建部件的实体模型，然后在实体模型的 基础上，进行网格划分，从而完成有限元模型的建立； ( 2 ) 在有限元软件中直接生成有限元网格的方法； ( 3 ) 利用三维实体造型软件建立实体模型，然后通过统一通用的数据接口将模型导入 到有限元分析软件中，最后进行网格划分，完成有限元模型的建立。 其中，直接生成有限元模型的方法，对于简单的实体比较容易实现，但是对于结 第2 蕈机身结橱有元横型的迎a论立 构复杂的液压机部件而言，比较麻烦，而且费时。本文采用三维造型功能强大的 s o l i d w o r k s 软件进行部件的实体建模，然后通过统一通用的数据接口将模型导入到 a n s y s 软件当中施加边界条件和载荷，划分网格，进行有限元分析。 2 2 3 整机实体模型的建立 在进行有限元分析之前，首先需要将分析对象的结构模型转换为便于分析的结构 分析模型或力学模型。为保证全面地反映机身的应力应变情况同时使有限元模型得 到简化，确定了下面五条建模原则： 1 ) 对于明显不会影响机身的整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角等 予以简化【2 8 】： 2 ) 认为焊接质量可靠，且不考虑焊接对各板传力的影响： 3 ) 将导轨看成自由界面，滑块与导轨之间无力的传递： 4 ) 地脚螺栓刚度无限大，不考虑地基及机身以外部件弹性变形。 5 ) 帆身部件在前后和左右两个方向上都是对称的，载荷也是完全对称的。因此 有限元分析中采用部件的四分之一模型作为研究对象。在结构列称面上施加 对称约束条件。减少工作量节约时问。 利用s o l i d w o r k s 建立的整机实体模型如图2 22 所示： 图2 22 液压机实体模型 f i 9 2 2 2s o l i d m o d e lo f h y d r a u l i c p r e s s 硕士论文 大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 2 3 组合机身的预紧 2 3 1 预紧力的确定 组合框架结构中；为防止液压机工作时组合机身的结合面上出现间隙，安装机身 时必须给液压机一定的预紧力。在预紧模态，机架只受预紧力作用；而在工作模态， 除预紧力外，上横梁液压缸位置作用有工作载荷，下横梁工作台面也有工作载荷。其 受力简图如2 3 1 ，其中只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【2 3 _ ：卯。 图2 3 1 组合机身受力简图 f i g2 3 1t h ed i a g r a mo ff o r c ea p p l i c a t i o n 闭式组合机身由于横梁和底座相对于立柱和拉紧螺栓的截面尺寸大很多，往往忽 略横梁和立柱的变形，对于机身的变形只考虑立柱变形，拉紧螺栓看作是单向拉伸， 在弹性范围内，拉紧螺栓和立柱的受力和变形都是线性变形，可以得到传统的拉紧螺 栓与立柱的载荷变形图，图2 3 2 中( a ) 是预紧前，( b ) 是预紧后的情况，( c ) 是压 机工作的情况。 第2 章机身结构有限元模型的建立硕士论文 。u 。_z i 司 一i ii 才l l l广一 i r t _ 1 也 j_ l i 2 拉杆和立柱变形示意图 2 3 2d e f r m a t i o no f e n i o nb o la n dc o l m n 围内，拉紧螺栓和立柱的受力和变形都是线性变形，这样可以得到拉紧 螺栓柱的载荷变形图如图2 3 3 所示。 岛 址f 3 立柱和拉杆的力变形关系 2 3 3t h er e l t i o no f f r c e d e f o r m a t i o no f t n s i o nb o la n dc o l m n 设安的预紧力为0，此时每根立柱压缩量为以，每根拉紧螺栓伸长量为名， 于是 1 4 硕士论文 大吨位拉深液压机的组合机身结构分析和优化设计 2 ：= p y l , 乃= 籍 令c ，：j ，lc ，：土 3 m e z a z i n e , a , 则 以2e e 乃5e c ： 其中 t 、厶一立柱、拉紧螺栓长度 e 、蜀一立柱、拉紧螺栓弹性模量 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 4 、4 立柱、拉紧螺栓截面积 m 、甩一立柱、拉紧螺栓数目，m - - 4 ，n = 4 机身受到公称压力只作用时，拉紧螺栓除承受立柱给它的反作用力( 立柱的残 余预紧力) 以为，又多加了一公称压力名。所以此时的螺栓受力从e 增为只，而立 柱受力从只减为( 为残余预紧力) 。由图2 3 3 可知 另2 名+ ( 2 3 4 ) 立柱和螺栓都变化五；当压力机超载达毽，立柱的变形为零，此时的拉紧螺栓伸长 量达最大值乃。，即 二一= 五+ t = z 名q ( 2 3 5 ) 已知 乃+ 五= 乞，g + e ( 2 3 6 ) 所以 。= 器 2 3 2 预紧力施加方法的选择 ( 2 3 7 ) 在预紧力作用下，螺栓处于受拉状态，而被连接件则受压。如果采用加在杆单元 两头的平衡载荷无论是哪个方向都不能模拟真实的受力情况。在通用有限元分析软件 a n s y s 中可利用以下几种方法来模拟螺栓预紧力的加载。 2 3 2 1 等效力法 即对结构加等效荷载。把栓杆所承受的轴向拉力等效成多个集中力或者一个面压 1 s 第2 章机身结构有限元模型的建立 硕士论文 力，然后对高强螺栓作用的结构直接施加等效荷载；也可以等效成集中为加一个等效 弯矩进行轴心加载。施加等效荷载时要对两个连接板同时施加，使其合力大小相等， 方向相反，保证不产生弯矩，如图2 3 4 所示。这种方法可以不建立高强螺栓的有限元 模型，故不能模拟现实结构中栓杆和孔壁的接触问题。由于只考虑了螺栓的预紧力而 未将螺栓模型建立起来，因而可以使计算简化许多。但对于大型的复杂结构难以计算 且计算误差较大【2 6 1 。 l ll 【il 心汰燃蕊蕊闷 黝钐黝 i i l1 图2 3 4 等效力法加载示意图 f i g 2 3 4t h e a p p l i c a t i o no fe q u i v a l e n tf o r c e 2 3 2 2 利用降温法模拟螺栓预紧力 温度降低将引起物体收缩变形，结构的变形受到约束，就会产生内部拉力。可以 采用降温法来模拟螺栓预紧力状况。其基本思想是：把初载荷换算成对应的温度载荷 加载在螺栓杆上。假定螺栓最初安装的联接件上不产生预紧力，当螺栓上作用有负的 温度载荷( 假定初始温度为o ) 其他构件温度不变，这时螺栓必然收缩，螺栓必然受到 一个拉力阻止其自由收缩，而被联接件则受到压力作用。通过换算使温度载荷等效于 螺栓上施加的初载荷，便可以模拟预紧力。 假定螺栓材料的膨胀系数为a 。螺栓杆的初载荷q ，并计算初载荷下螺栓的初 变形 她= 鲁= 髻 - ( 2 3 8 ) g 尉 。 被联接件的变形厶：盟 巳 ( 2 3 9 ) 其中，g 为螺栓刚度，c 卅为被联接件刚度。 对处于不受力状态的螺栓联接施加预紧力矩，通过螺帽与螺栓杆之间的相对运动 ( 旋紧) ，螺杆不断伸长，螺孔周围的底盘不断被压缩。螺栓杆中受到的拉力与底盘中 受到的压缩合力通过螺帽处于平衡状态，并且随预紧力矩的增大而增大。螺栓杆和被 连接件变形总和为