（材料加工工程专业论文）快锻液压机机架的有限元分析.pdf

摘要 摘要 快锻液压机作为压力加工的重要设备 已经成为工业生产中必不可少的装备 之一 本文在研究快锻液压机的原理 结构特点及结构分析有限元方法的基础上 以西安重型机械研究所新研究丌发的1 2 5 m n 双柱下拉式快锻液压机为例 建立 了快锻液压机机架的三维有限冗模型 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 为双柱下拉式快锻液压机 的设计提供了可靠的理论依据 具有一定的理论意义和实际应用价值 本文的主要研究内容和结论有 1 建立了快锻液压机三维几何模型 力学模型 静态和瞬态动力学模型 2 通过对快锻液压机正载 沿框架平面偏载和垂直框架平面偏载三种典 型工况的有限元分析 得到三个不同工况下机架的应力和位移分布规律 其主要 结论为 机架的四个拐角为主要应力集中区 即为机架的危险截面 动载和静载 下 机架的应力和位移分布趋势基本一致 但在动载冲击下 危险截面的最大应 力增加4 0 左右 偏载对液压机横梁及立柱的应力分布有较大影响 偏载会使机 架危险截面的最大应力增大2 0 左右 3 通过对快锻液压机的机架进行模态分析 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 结果表明 机架不仅有前后 上下及左右 方向的弯曲振动 而且有扭转振动 这些振动将影响机架的强度和刚度 加重机 架导向部分的磨损 影响锻件的精度及模具和液压缸的使用寿命 因此 在设计 过程中应适当增加局部刚度和阻尼来抑制这些振动的影响 该机架整体的刚度和 质量分布较为均衡 无明显的薄弱部位和过剩部位 机架的动态性能良好 机架 的最小频率为2 3 7 5 8 h z 远远大于其冲击频率1 3 3 h z 即8 0 次每分钟 不会 发生共振 且大于2 0 h z 满足降低噪声污染的设计要求 因为小于2 0 h z 为次声 波 处于次声波环境中的人极易疲劳 4 分析结果表明 该1 2 5 m n 双柱下拉式快锻液压机机架危险截面静载时 的最大应力在6 0 9 0 m p a 之间 动载时的最大应力在9 0 1 5 0 m p a 之间 远小于机 架材料的屈服极限2 7 0 m p a 且动态性能良好 设计比较合理 本文研究的快锻液压机机架静动态 正偏载的应力分布规律及模态分析结 果 为新式快锻液压机的设计提供了可靠的依据 关键字 快锻液压机 机架 有限元分析 静态 模态 动态 应力 a b s t r a c t t h e h i g hs p e e df o r g in gh y d r a u l i cm a c h i n e w h i c h i sm o s t i m p o r t a n t e q u i p m e n ti np r e s s u r ep r o c e s s i n gf i e l d h a sb e c o m eo n e0 ft h ee q u i p m e n t s w h i c hc a n n o tb es h o r t a g ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e rh a sc r e a t e d t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m e0 f1 2 5 m nt w i n c o l u m n sp u l l d o w nh i g hs p e e df o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n ew h i c hi sd e s i g n e d b yx i a nh e a v y d u t ym a c h i n e r yr e s e a r c hi n s t i t u t e a n a l y s e dt h es t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t d i s t r i b u t i o nl a w so ft h ef r a m eu n d e rs t a t i ca n d d y n a m i c l o a d a n dd o n et h em o d a la n a l y s i so ft h ef r a m eo nt h eb a s eo fs t u d y i n g t h e o r i e sa n df e a t u r e so ft h e h i g hs p e e df o r g i n gh y d r a u li cm a c h i n ea n d t h es t r u c r u r a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d w h i c hp r o v i d e sr e l i a b l et h e o r e t i c a l b a s ea n d h a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n da p p l i c a t i o nv a l u e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra sf o l l o w s 1 t h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e l m e c h a n i c a lm o d e l s t a t i c a n dt r a n s i e n td y n 锄i em o d e lo ft h ef r a m ea r ec r e a t e d 2 s 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 w so ft h ef r a m eu n d e rt h r e e d i f f e r e n t w o r k i n g s t a t e sa r eo b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i n gt h et h r e e t y p i c a lw o r k i n gs t a t e so ft h ef r a m e t h e ya r en oo f f s e tl o a d o f f s e t t i n g 1 0 a da l o n gxa x i sa n do f f s e t t i n gi o a da l o n gza x i s t h em a i nc a l c u l a t i o n r e s u l t sa r e t h ef o u rc o r n e r so ft h ef r a m ea r es t r s sc o n c e n t r a t ea r e a s t h a t i s t h e ya r et h ed a n g e r o u sc r o s s s e c t i o n so ft h ef r a m e t h e s t r e s sa n d d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nt r e n d sa r ea l m o s ts a m eu n d e rs t a t i ca n d d y n a m i c l o a d b u tu n d e rd y n a m i cl o a d t h el a r g e s t s t r e s s e so ft h e d a n g e r o u s c r o s s s e c t i o n sa r ei n c r e a s e db ya b o u t4 0 9 6 o f f s e t t i n gl o a dh a sag r e a t e f f e c to nt h eb r i d g ea n du p r i g h tc o l u m no fh y d r a u li cm a c h i n ea n dm a k e s t h ei a r g e s ts t r e s so ft h ed a n g e r o u sc r o s s s e c t i o ni n c r e a s e db ya b o u t2 0 3 t h ed y n a m i cp a r a m e t e r so ft h ef r a i i l es u c ha sp r e v i o u st e nn a t u r a l 1 西北 r 业人学坝l 学位论直 f r e q u e n c i e sa n dc o r r e s p o n d t n gm o d e sa r eo b t a i n e dt h r o u g hm o d a la n a l y z i n g t h ef r a m eo fh i g hs p e e df o r g in gh y d r a u l i cm a c h i n e t h es i m u l a t i n gr e s u t s i n d i c a t e t h ef r a m eh a sn o to n l yf o r ea n da f t e r u p d o w na n dl e f t r i g h t b e n d i n gv i b r a t i o n b u t a l s o t w i s t i n g v i b r a t i o n t h e s ev i b r a t i o n sw i l l a f f e c tt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ef r a m e w e a rg u i d es l e e v e so ft h e f r a m e a f f e c tt h ep r e c i s i o no f f o r g ep i e c ea n dd e c r e a s et h es e r v i c el i f e o fd i ea n df l u i dc y i i n d e r s od u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g t h ee f f e c t s o ft h o s ev i b r a t i o n ss h o u l db ep r e v e n t e db yi n c r e a s i n gp a r t i a ls t i f f n e s s a n dd a m p t h ew h o l es t i f f n e s sa n dq u a n t i t yo ft h ef r a m ea r ed i s t r i b u t e d w i t he q u a l i z a t i o n a n dt h e r ejsn ow e a kp l a c ea n ds u r p l u sl o c a t i o i lo nt h e f r a m e t h e d y n a m i c b e h a v i o r so ft h ef r a m ea r ew e l l t h es m a l l e s t f r e q u e n c y 2 3 7 5 8 h z o ff r a m eisl a r g e rt h a ni m p a c tf r e q u e n c y 1 3 3 h z o f f r a m e g r e a t l y s o t h er e s o n a n c ev i b r a t i o nw o n t t a k e p l a c e o nt h e f r a m e w h a t sm o r e i ti s1 a r g e rt h a nt h ef r e q u e n c yo f2 0 h z s ot h ed e s i g n r e q u i r e m e n to fd e c r e a s i n gn o i s ep o l l u t i o n i ss a t i s f i e d 4 a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e u n d e rs t a t i cl o a d t h el a r g e s ts t r e s s o ft h ed a n g e r o u sc r o s s s e c t i o no ft h e1 2 5 m nt w i nc o l u m n sp u l l 一d o w nh i g h s p e e df o r g i n gh y d r a u l i em a c h ih e i sb e t w e e n6 0 m p aa n d9 0 m p a w h i l eu n d e r d y n a m i cl o a d i ti sb e t w e e n9 0 m p a a n d1 5 0 m p a a n dt h e ya r ea l s os m a l l e rt h a n y i e l dl i m i t 2 7 0 m p a o f t h ef r a m e f u r t h e r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r e v e r yw e t l s o t h ed e s i g no ft h ism a c h i n ei ss a t i s f y i n g t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e r w h i c hc o n t a i ns t r e s s d i s t r i b u t o nl a w so ft h ef r a m eo fh i g hs p e e df o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n e u n d e rs t a ti cl o a d d y n a m i cl o a d n oo f f s e tl o a da n do f f s e tl o a da n dm o d a l a n a l y s i s p r o v i d er e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s e f o rt h ed e s i g no fn e wh i g h s p e e df o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n e k e y w o r d s h i g hs p e e df o r g i n gh y d r a u l i em a c h i n e f r a m e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s f e a s t a ti c m o d a l d y n a m i c s t r e s s 1 v 1 1 选题的目的和意义 第一章绪论 液压机是利用液压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 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 如板材成型 管 线 型材挤压 粉末冶金 塑料及橡胶制品成型 胶合板压制 打包 人造金刚石 耐火砖压制和碳极压制成型 轮轴压制 校直等等 各种类型液压机的迅速发 展 有力的促进了各种工业的发展和进步 八十年代以来 随着微电子技术 液压技术的发展和普及应用 液压机有了更进一步的发展 目前 液压机的最 大公称压力已达7 5 0 m n 用于令属的模锻成型 众多机型已采用c n c 和p c 机 柬进行控制 使产品的加工质量和生产效率有了极大的提高 l j 随着机械工业 国防工业以及宇航工业的发展 对优质合金钢 耐热合金 钢的需求同益增长 人们对自由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 传统的三梁四 柱式压力机效率低下 自动化程度低 已远不能满足上述要求 自7 0 年代 德 国和日本许多生产压机的厂家己停止生产三粱四柱式压机 逐渐由双柱压机取 代 双柱下拉式压机不仅具有抗偏载能力强 立柱导向恻隙易于调整 滑板与 立柱面接触耐磨性好 操作视野宽 有效作业范围广 起重机易于接近 框架 刚性好且重心低不易晃动 锻造车间厂房地 因漏油引起火灾的危险性小等优 点 因此 快速锻造液压机是目前国内外锻造设备发展盼主要趋势之 1 2 j 1 2 5 m n 双柱下拉式快锻液压机是出西安重型机械研究所最新设计开发的 种新型液压机 其主机部分由 个封闭式框架 该框架有两根立柱及上横梁 下 横梁组成 固定梁 液压缸及其他辅助设旄组成 由于结构独特 工作期间整 i lr j 业人学坝f j 学位论卫 个机架作上下往复运动 质量大 惯性大 很有必要预先计算其强度和刚度 从 而使设计者能对机身的静 动力学特性有一个全面地了解 使整个设计更加完善 机架是整个快速锻造液压机的关键部件 工作时承受巨大的载荷 其强度和刚度 对于整机的安全和产品质量有着决定性意义 因此研究机架在静态及动态加载情 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十分重要 双柱下拉式快锻液压机在工作时由于模具的不对称 工件变形阻力不对称 加工零件形状不对称或加热不均匀 工具或工件放景不 f 等多种因素都可能 造成偏载受力状态 从而使整机承受巨大的横向侧推力 引起机架的剧烈振动 严重影响液压机的使用寿命以及工件的加工质量 同时 机架在实际工作时将伴 有较强的振动和较大的噪声 这些都会削弱其工作能力 危害生产车间工人的身 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 从技术上 讲 锻压设备的减振问题一盲就是急需解决但又没有彻底解决的一个难题 模态 分析将是解决这一问题的第一步 同时 目前国内有较多地对三梁四柱式液压机 进行这方面的研究 但对双柱式液压机的模态分析很少 因此本文将用美国的 a n s y s 有限元分析软件对该机的机架进行模态分折 综上所述 本文将对西安重型机械研究所最新研究开发的1 2 5 m n 双柱下拉 式快锻液压机的机身部分建立静态和瞬态动力学模型 用美国的a n s y s 有限元 分析软件对该机的机身部分进行静 动态有限元计算 从而揭示机架的实际受力 情况和应力位移分稚规律 得到其静 动态特性和模态参数 这对于了解现有的 结构并进而改善其性能将具有重要的意义 同时为新的快锻液压机的整体设计提 供了理论依据和现实的指导意义 1 2 国内外快锻液压机现状 1 2 1 国外快锻液压机的进展 目前 在一些发达国家 快锻液压机的设计制造己相当成熟 其结构有如下 共同点 泵直接驱动 用液压油作为工作介质 大多采用下拉式主机结构 液压泵站一般设置在主机附近的地下室内 第一蕈绪论 主机及系统结构性能的先进性介绍如下 1 液压系统的显著特点 普遍采用了逻辑阀 该闷的主要特点是 阀芯是一种锥阀结构 密封性好 过流面积大 丌启行程小 用具有快速反应的电磁阀作先导阀 其切换频率高达 2 5 0 次r a i n 1 故该阀动态响应快 动作灵敏 启闭迅速 能满足压机快速性的 要求 该阀将很多功能阀集成到一块阀体上 省掉了阀与阀之间的连接管路 利 于减少液压冲击 另外 由于阀芯只有开启和关闭两个动作 且用电磁阀作先导 阀进行控制 敲非常适合计算机控制 主缸进 排液设计成两个不同的管路 使 液体在系统内沿单行道走环形四路 充液阀的卸压和排液设另外通路 使充液阀 成了只有充液功能的单向阀 从而大大减少了液压冲击 在工作行程时 主缸的 供液量按照正弦曲线进行 除德国潘恩克 p a h n k e 公司采用双向正弦泵做为供 液量控制外 其余公司均采用由i 径不等的多个阀组成多级式主阀并通过微机控 制其组合 按照正弦曲线开启和关闭来分配供液量 采用多级卸压和排液阀组 使压机回程时主缸乎稳泄压 2 主机新结构 立柱多采用方形预应力结构型式 从而提高了机架刚度及抗偏载能力 在下 拉式结构压机中设置了上砧旋转及快速换砧的液压换卡装篝 配套了掉头小车及 直线轨道式全液压驱动操作机 在立柱导向装罱中 采用了可随时调整间隙并能 方便拆换的导向内村 3 功能齐全的电控系统 现代化快锻液压机采用微机控制 功能齐全 压机本体实现自控 活动横梁 压下精度可准确控制在4 1 m m 范国内 对全液压操作机和掉头小车同时进行自 动控制 压机与操作机之间的联动非常自如 当锻件的锻造工艺确定后 即可通 过计算机控制实现程序化锻造 通过上位管理机对每个锻件的资料进行记录和储 存并不断优化程序 以用最合适的程序对同类锻件进行锻造 还可以对整个电气 液压系统进行随时监控 一旦出现故障就能及时准确地判断出故障所在 此外 还具备自学习功能 帮助操作人员学习 掌握控制系统 据资料介绍 国外生产该类快锻液压机的厂家主要有德国的曼内斯曼一德马 克公司 潘恩克公司 日本的三菱长崎机工株式会社 捷克的z d a z 公司等 两北下业大学俩 学位论文 另外 乌克兰 法国等也有该类爪机的生产厂商 3 1 1 2 2 国内快锻液压机简况 国内从8 0 年代开始对怏锻液压机的研制工作 由西安重型机械研究所和北 京重机厂研制的国产第一台8 0 0 0 k n 快锻液压机组在兰州石化总厂投入运营 此 后 随着快锻液压机的快速发展 其技术日趋成熟 到目前为止 压机的主要性 能指标已基本接近国外同类设备水平 但其液压系统的主要部件如泵 先导阀等 仍靠国外配套 目前 国内快锻液压机的主要生产厂家有西安重型机械研究所和 兰州石化总厂等 1 3 结构的现代设计方法及国内外现状 1 3 1 传统设计方法 传统设计方法主要指在计算机出现以前 设计者凭直觉和经验 借助一些推 导出的简单公式和经验公式进行计算 做小规模且粗糙的实验 对类似的产品和 设计进行类比 其特点是 人工试凑 经验类比 以静态为假设条件 设计者和 制造者分离 因此 传统设计是一种半理论 半实验的设计方法 主观随意性很 大 很难获得客观存在的最优方案 但传统设计方法在长期实践中积累了大量成 熟和宝贵的经验 为现代设计的发展打下了坚实的基础 4 1 3 2 现代设计方法 随着时代的发展 从经济 技术 外观 舒适性以及对环境的污染等诸方面 对设计者提出了一系列苛刻的要求 设计者必须认真地分析研究各种要素 进行 权衡 从中选出最优的设计方案 科学技术的发展 特别是微电子技术的发展为 进行这些分析和计算提供了同臻完善的手段 第一市绪论 六十年代以来 国际上先进工 业国家竞相研究和应用新的设计方法 即现代 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设计方法学 优化设计 可靠性设计 计算机辅助设计 工业艺术造型设计 有限元分析法 模块化设计 反求工程设计 机械动态设计等 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 山定性分析向定量分析 由静态分析向动态分 析 由零部件计算向整机计算 由手工设计计算向自动化设计计算及由安全性设 计向优化设计等 对复杂的结构件 例如机床的床身 液压机的机架和箱体等 过去虽然也可以利用材料力学或弹性力学的简单公式 估算改动某一部分的尺寸 对整个结构刚度带来的影响 但这种预测只能说明是改善了或恶化了 却难以确 定该尺寸的增量与结构刚度增量问的精确关系式 因而这种分析是粗糙的 只能 定性 当采用有限元法进行计算 或使用现代化测试设备进行模型试验时 就会 较好地完成这个任务 这样 产品制造出以前 就可以准确的预测出其性能指标 基本上做到定量化 近二十年多年来 现代设计方法在建筑 化工 铁路 航空 造船 汽车 机床 自动控制系统以及其它领域都得到了广泛的应用 并取得了 显著的效果 5 下面主要介绍现代设计方法中的有限元法和模态分析技术 1 3 2 1 有限元法 有限元法是现代设计方法中的一个重要方法 它是以电子计算机为工具的一 种现代数值计算方法 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 它不仅能用于工程中复杂的非线性阀题 非稳态问题的求解 而且还可以用 于工程设计中进行复杂结构的静念和动力分析 并能准确的计算形状复杂零件的 应力分布和变形 成为复杂零件瑙度和剐度计算的有利分析工具 5 0 年代中期至6 0 年代未 有限元法出现并迅猛发展 由于当时理论尚处于 初级阶段 计算机的硬件及软件也无法满足需求 有限元法和有限元程序无法在 工程上普及 到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序 它们以功能强 用户使用方便 计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品 成为结构工程 强有力的分析工具 西北r 业人学硕上学位论卫 近年来有限元分析方法在工程计算中发挥了重要的作用 从自行车到航天飞 机 所有的设计制造都离不行有限元分析计算 美国 同本 德国等发达国家竞 相采用有限元法进行飞机 汽车等新产品的开发设计 已经走在世界的前列 美 国的a 1 t a n 在金属成型过程中应f 有限元方法 大大减少了加工时间和成本 6 g h o f r a n i m r e z a w h i t e c h a r l e ss t 等人采用有限元方法对闭合模精锻进行 模拟 为闭合模的设计和精锻成型提供了技术指导和理论参考 c h e n o t t r o n e l s o y r i s 引 等人对热模锻中的热力耦合大变形问题进行了有限元计算 得到了热 力耦合下锻件的高应力区和成型过程 解决了锻造中力学与热血耦合的难点 为 复杂的模锻成型提供了理论依据 美国福特汽车公司早在二十世纪7 0 年代就使 用了n a s t r a n 软件 用板 粱单元进行车底架的静态分析 找出高应力区并 改进应力分布 们 同本五十菱汽车公司在8 0 年代末将有限元分析应用到车底架 设计的各个阶段 从最初设计阶段的粗略模型 到设计中后期的细化模型 分析 的范围包括强度 刚度 振动 疲劳 碰撞及形状和重量的优化 1 叭 国内的许多学者也不甘落后 纷纷采用有限元方法对各种压力机机架和桥梁 等进行静 动态分析和计算 并且取得了很好的效果 例如 潘紫微对4 m 斜刃 剪切机架进行有限元分析 李德军对2 2 m n 液压机整体框架式机身的有限元 分析 陈先宝对j 3 6 8 0 0 b 压力机的动态有限元计剿 l 付群峰对无横梁高 刚度轧机机架有限元分析 14 1 王思明对皮尔钢管轧机机架的有限元分析 等等 他们通过对各压力机的有限元分析 揭示了各压力机的静 动态特性 真实反映 了各压力机在工作状态下的实际应力应交规律 为各压力机的整体设计提供了很 好的理论依据 1 3 2 2 模态分析技术 现代设计思想中的一个重要组成部分就是动态设计思想 在结构的总体设计 过程或具体方案论证 技术设计和技术验证中都会遇到大量的与产品结构动态特 性有关的问题 因为当结构处在动态载荷工作环境中 其运动形态本身就是动态 的 因此在设计中必须进行动态分析 结构动态设计和动态分析的现代理论基础 是模态分析技术 模态分析技术是分析结构系统振动特性的强有力的力学工具 箱一章绪论 在结构的现代设计方法 p 往往荽深入研究结构的固有动态特性 外界的振动冲 击作用和结构系统的运动响应三辎之间的内在关系 然后进行结构的动态分析 为动态优化设计提供确切的输入环境 目前国外在结构动态涉及领域的研究十分活跃 特别是美国 西欧等一些工 业发达国家 十分重视关于结构动态设计问题的研究 并将其列为结构设计领域 的重点发展方向之一 a n d e r s o n t j 和n a y f e h a h 1 6 1 利用试验和模态分析相 结合的方法对分层的复合板进行了分析 得到了复合板的固有频率和相应的振 型 为复合材料的动态性能优化提供了技术指导和理论依据 y e z h i q u a n m a h a n o m i n b a o n e n g s h e n g c h e n y a h d i n g k a n g 1 利用模态分析技术对 横轴缠绕式叶轮机进行了动念分机 得到了该叶轮机的动态特性 并对其进行评 价 提出了叶轮机动态性能优化的若干建议 为横轴缠绕式叶轮机的改进提供了 理论指导 b a e s l e e j m k a n g y j k a n g j s y u n j r 馆1 利用模态 分析技术对自动洗衣机进行了动力学分析 得到了自动洗衣机的固有频率和振 型 为洗衣机设计过程中减小振动和降低噪声两大技术难题提供了合理的参数参 考 而我国动态设计领域的研究还比较落后 但已有越来越多的学者开始利用模 念分析技术来对汽车 飞机和液压机等进行动态分析 例如 沈浩等人对客车车 身进行模态分析 从而对其进行有效的动态评估u g 季忠等人对闭式数控回转头 压力机机身进行模态分析 求出了该压力机的前十阶固有频率和振型 并根据分 析结果对结构进行改进 提高了机身的动态特性 2 0 1 黄晋英等人对发动机机体结 构进行振动模态分析 得到了机体的自由模态参数 为研究机体的优化和动力匹 配作了良好的准备工作 1 0 鉴于有限元方法和模态分析技术这两个现代设计方法在结构设计中的广泛 适用性及其重要性 本文将分别采用有限元法和模态分析技术对快锻液压机的机 架进行静 动态分析 1 4 本课题研究的主要工作 本文利用a n s y s 有限元分析软件对西安重型机械研究所最新研发设计的 西北t 业人学硕士学位论文 1 2 5 m n 快锻液压机的机架进行有限元结构静态分析 模态分析以及动态载荷分 析 这对于了解现有的结构并进而改善其性能将具有重要的意义 同时为快锻液 压机的整体设计提供了理论依掘和现实的指导意义 主要内容有 1 利用a n s y s 对机架建立静态下的实体和有限元模型 对机架的三个 工况 没有偏载的工况 载荷沿xt f 向偏移1 5 0 m m 的工况以及载荷沿z 正向偏 移7 0 r a m 的工况分别进行静态分析 从面揭示机架在三个不同的工况下的应力和 位移分布规律 并进行比较 2 利用a n s y s 对机架进行模态分析 得到机架的固有频率以及相应的 固有振型等相关的动态参数 并且对机架的各项动态性能进行评价 3 利用a n s y s l s d y n a 对机架建立实体和有限元模型 对机架的三个 工况 没有偏载的工况 载荷沿x 正向偏移1 5 0 m m 的工况以及载荷沿z 正向偏 移7 0 m m 的工况分别进行动态载荷分析 从而揭示机架在三个不同的工况下的应 力和位移分布规律 并进行比较 4 对静态载荷下的计算结果与动态载荷下的计算结果进行比较 第二章快锻液压机结构有限元分析的理论基础 2 1 快锻液压机的工作原理 基本参数及结构特点 2 1 1 液压机的工作原理 液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的 它是一种利用 液体压力能来工作的机器 液体压力传递原理为 在充满液体的密封容器中 施于任一点的单位外力 能传播至全体 其数值不变 其方向垂直于容器表面 根据这一原理 制成了液压机及其它液压机械如图2 1 所示 4 三讲铲私 1 一小柱塞2 一密 j j 连通器的小液压缸3 一连接管道 4 一密闭连通器的大液压缸5 一大柱塞6 被加1 的 件 例2 1 液压机工作原理 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cm a c h i n e 在一个充满液体的连通器里 一端装有面积为a 的小柱塞 另一端装有面积 为a 的大柱塞 柱塞和连通器之i 自j 设有密封装置 使得连通器内部形成一个完全 密封的空间 液体不会外泄 当小柱塞上施加一个外力r 时 则作用在液体上的 单位压力为p f a 按照液体静压力传递原理 这个单位压力p 将以不变的数 9 两北i 业大学硕士学位论文 值传递到液体的每一个质点 并且其作用方向垂直于其作用面 这样在连通器另 一端的大柱塞上作用着垂直于其底面的单位应力p 使其产生向上的推力r p a 由此可见 只要增加大柱塞的面积 就可以由小柱塞上一个较小的力f 在 大柱塞上获得一个很大的力r 这里的小柱塞相当于液压泵中的柱塞 而大柱塞 就是液压机中工作缸的柱塞 2 2 1 2 1 2 液压机的基本参数 基本参数是液压机的基本技术数据 是根据液压机的工艺用途及结构类型来 确定的 它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 及本体总重 另外 基本参数也是用户选购时的主要数据 液压机的基本参数有以下内容 l 公称压力 指液压机名义上能产生的最大力量 它反映了液压机的主要 工作能力 2 最大净空距 指活动横梁停在上限位时 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 3 最大行程 指活动横梁能够移动的最大距离 应根据工件成型过程中所 要求的最大工作行程来确定 它直接影响工作缸和回程缸及其柱塞的长度及整个 机架的高度 4 工作台尺寸 指工作台面上可以利用的有效尺寸 它取决于模具的平面 尺寸及工艺过程的安排 5 回程力 滑块返程时所需要的驱动力 6 活动横梁运动速度 分为工作行程速度 空行程速度及回程速度 7 允许最大偏心距 指工件变形阻力接近公称压力时所能允许的最大偏心 值 2 3 本课题中分析的快锻液压机的主要技术参数如表2 1 表2 1 陕锻液压机的主要技术参数 t a b l e 2 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so f h i g hs p e e df o r g i n gh y d r a u l i cm a c h i n e 序号项目参数单位 l 愿机公称 i 力 1 2 5m n 2 结构副式挺体框架f 拉式 3 最大净空距离2 4 5 0m m 4 最人行程1 2 0 0m m 5立牲中心距 斜向 3 4 0 0m m 6 移动i 作台尺寸1 5 0 0 5 0 0 0m m 7 移动工作台行程2 1 4 0 0m m 8移砧台行程2 1 4 0 0m m 9 网科力2 5m n 1 0 工作台移动缸作用力3 0 0k n l l 穆砧台移动缸作用力 3 0 0k n 允许锻沿框架平面 1 5 0m m 1 2 造偏心距垂直框架平面7 0m m 上砧旋夹紧力 1 4 0i n 1 3 转装置旋转角9 0 d e g 1 4 压机总高 8 5 8 9m m 1 5地面以上高度4 5 1 3m m 1 6平面尺寸1 2 0 8 0 1 3 8 4 0m m 1 7 基础深度 7 0 0 0m m 1 8压机总重 1 7 1 0 0k g 2 1 3 快锻液压机的结构及特点 由于过去传统的三梁四柱式结构中 液压机本体的重心高出地面很多 稳定 性差 快速锻造时 本体晃动很大 因此现在的快锻液压机都采用下拉式结构 下拉式 下传动 结构 如图2 2 所示 它由两根立柱及上 下横梁组成一 个可动的封闭式框架 工作缸5 安装在下横梁6 上 也随框架一起运动 而工作 桩塞则固定在不动的固定粱4 上 固定粱上还装有立柱2 的导套和回程缸3 立 柱按对角线布置刚 2 5 一 k j i l 莲 i 一 一 厂 图 黝黝 一魁 一 一一 f 弋 l jl j 1 一上横粱2 一立枉3 一回鞋缸4 一固定横梁5 一工作缸6 一 f 横粱7 一高压管 图22 一f 拉式液压机 f i g 2 2 p u l l d o w nh y d r a u l i cm a c h i t i e 下拉式快锻液压机结构的优点 1 压机重心低 几乎与地面处于同一水平 因此稳定性好 从图2 3 中 可以明显看出 在偏心载荷作用下 当下拉式结构机架变形很大时 重心s 仍在 原位 而在上传动结构中 在偏载作用下 重心s 偏移很多 从而引起机架的严 重晃动 2 工作缸在地面以下 地面上几乎没有什么管道 当用油为工作介质时 不易着火 比较安全 管道连接处不受压机晃动或机架变形的影响 不易损坏 3 上横梁的宽度不决定于工作缸的外径 因此上横粱可设计得较窄 便 于操作 4 立柱按对角线布置 在纵横两个方向上可布置活动工作台及横向移砧 装置 操作工人有较宽的工作视野 压机辅助工具也有较大的工作空间 5 压机地面以上高度小 可安装在高度较低的车间里 相对于上传式液 1 2 o 压机 厂房可建得低一些 如图2 4 所示 但缺点为 1 地坑深度大大加深 地下工作量较大 2 运动部分质量较大 惯性大 山于下拉式结构具有较多的优点 因此得到迅速推广 中小型液压机中近年逐渐 采用此种结构 图2 3 卜拉式和上传动结构在偏心载荷时的变形比较 f i g 2 3d e f o r m n gc o m p a r eb e t w e e nt h ep u l l d o w n s t r u c t u r ea n dp u l l u ps t r u c t u r eu n d e re c c e n t r i cl o a d 图2 4f 拉式和上传动结构的高度比较 f i g 2 4h e i g h tc o m p a r eb e t w e e nt h ep u i 卜d o w na n dp u l l 一u ps t r u c t u r e 两j 一业人学坝士学位论义 2 2 结构分析有限元法 2 2 1 结构分析有限元法概述 有限元法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 最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力 它是 将弹性理论 计算数学和计算机软件有机的结合在一起的一种数值分析技术 后 来出于这一方法的灵活 快速和有效性 使其迅速发展成为求解各领域的数理方 程的一种通用的近似计算方法 目前 它在许多学科领域和实际工程问题中都得 到广泛的应用 因此 在工科院校和工业界受到普遍的重视 2 2 2 有限元方法的解题步骤 有限元法求解问题 概括起来分为以下几个步骤 1 弹性体的离散化 即将要分析的结构分割成有限个单元体 并在单元体的指定点设置节点 使 相邻单元的有关参数具有一定的连续性 并构成一个单元的集合体 以它代替原 来的结构 并把弹性体边界的约束用位于弹性体边界上节点的约束去代替 2 单元分析 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 元的应变 应力 单元刚度矩阵和单元等效节点载荷向量的计算公式 讨论单元 平衡条件 建立单元节点力与节点位移之间的关系 建立单元位移模式 为了能用节点位移表示单元体的位移 应变和应力 在分析连续体问题时 必须对单元中位移的分布做出 定的假设 也就是假定位移是坐标的某种简单的 函数 这种函数称为位移模式或插值函数 选择适当的位移模式是有限元分析的 关键 通常选择多项式作为位移模式 其原因是多项式的数学运算比较方便 并 且由于所有函数的局部都可以用多项式逼近 至于多项式的项数和阶次的选择 第一章伙锻液脉机结构有限元分析的理论皋础 则要考虑到单兀的自由度和解的收敛性要求 一股来说 多项式的项数应等于单 元的自由度数 它的阶次应包含常数项和线性项等 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如下 厂 w 矽 2 2 1 式中 厂 单元内任一点的位移阵列 p 单元的节点位移阵列 单元形态矩阵 单元应变分析 由式 2 2 1 可导出结点位移表示的单元应变关系式 p 陋弦 8 2 2 2 式中 协 单元内任一点的应变矩阵 陋 单元几何矩阵 b i n i 单元应力分析 利用式 2 2 2 可导出应力与节点位移关系式 扫 d p 弦 2 2 3 式中 p 单元内任一点的应力列阵 p 卜一与单元有关的弹性矩阵 单元刚度矩阵与单元平衡方程 瞳 f f p 7 d 弘m 2 2 4 式中 k 9 单元刚度矩阵 导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容 利用最小势能原理 导出单元平衡方程 沪 8 弘 p 2 2 5 式中 护 等效节点力 3 整体分析 1 5 西北t 业火学硕士学位论义 即在单元分析的基础上 建立系统总势能计算公式 应用最小势能原理建立 有限元基本方程 引入位移边界条件 求解弹性体的有限元方程 解出全部节点 位移 最后逐个计算单元的应力 建立整体有限元方程 这一过程包括两方面的内容 一是将各个单元的刚度矩阵 组集成整体刚度 矩阵 二是将作用于各单元的等效节点力列阵 组集成总的载荷列阵 最常用的组集刚度矩阵的方法是直接刚度法 即要求所有相邻的单元在公共 节点处的位移相等 得到有限元基本方程 陆 f 2 2 6 引入边界条件 求解未知节点位移和计算单元应力 利用式 2 2 6 可解出未知位移 再利用式 2 2 3 可计算各单元的应力 并加以整理求得所要求的结果 2 6 2 7 1 2 3 计算软件的选择 本文采用先进的有限元分析软件a n s y s 5 7 该软件是由美国匹茨堡大学著 名力学教授d r j a s w a n s o n 主持开发 由s w a n s o na n a l y s i ss y s t e mi n c s a s i 公司发行的大型通用有限元分析软件 该软件已成功应用于航天 汽车 造船 机械制造 生物 医学等各个领域 极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题 在我国也得到了广大用户的承认和 推崇 应用a n s y s 程序 典型的有限元分析工作分为三个阶段 1 前处理阶段 该软件具有较强的前处理功能 能建立复杂的几何模型 有限元网格划分功 能很强 利用s m a r t s i z e 功能 能自动处理绝大多数的