机械毕业设计14毕业论文_压砖机的有限元分析

1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 液压压砖机是陶瓷工业中用于墙地砖压制成形的必不可少的机械设备。目前我国在实际生产中采用的压砖机类型主要有钢丝缠绕型液压压砖机 、 开式液压压砖机 、 闭式液压压砖机等类型，但工作时都普遍存在压砖机变形较大，刚性较差，而压砖机的强度、刚度将直接影响到零件加工精度、 压砖机 导轨的磨损和模具的寿命等。因此如何优化压砖机结构，提高压砖机的静态、动态特性，同时又能降低压砖机的结构重量，对于液压压砖机的设计尤为重要。 随着科学技术的发展，压砖机正向大吨位、高精度和高速度发展。要保证这些大吨位、高精度和压砖机的正常工作，首先应该在设计压力机压砖机时必须保证有足够的强度和刚度，同时考虑工作时的压力机的振动情况。目前我国压力机压砖机的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的 压砖机 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，国产高档次的压力机领与国外压力机相比存在很大的差距。随着中国加入 WTO，中国的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，中国的压力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 压力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 CAD/CAM/CAE 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，在压砖机设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益。 1.2 国内外 全自动液压压砖机研究 现状与发展趋势 1.2.1 国外全自动液压压砖机的发展 世界各国生产陶瓷砖除了塑性法、注浆法成型坯体之外，只要是采用颗粒状粉料压力成型工艺的基本上都是走过手工锤打 半机械化的摩擦压力锤 机械式压力机 摩擦 液压机成型 全自动液压机成型的道路。因此，当今各 地企业选用的自动液压压砖机其实是实践经验总结的应用，是目前最普遍最先进的方法，但不是唯一的方法。世界上对陶瓷墙地砖制品与专用装备开发比较早又长期坚持下来的国家， 首 推意大利，其次是德国、美国。 1983 年佛山引进投产的生产线配用的是台 2000 型摩擦 液压压砖机，此机的实质还是摩擦锤，液压机构作为操作手段。之后，引进萨克米公司的 500、 2 550、 600、 1000 型，西蒂公司的 800、 1200 型，德国莱斯公司的 600、 1100、 1500 型等等，在上世纪的 80 年代末 90 年代初，才真正出现以液压机构为主的液压压砖机， 级别上属于中小型机。中国在 1995 年之后，出现生产制作 500 毫米 500 毫米至 1000 毫米1000 毫米大规格砖的趋势，为此，娜塞堤等公司才研发了 5000 吨级的大型压砖机并首先进入中国市场。 1999 年，世界最大的 7200 吨压砖机进入中国市场。由此可知，意大利、德国、日本生产制造全自动液压压砖机的历史是 15 20 年的事情。这些国家产品的共同点都是以液压机构为工作机构，引入当代的科技成果，逐步完善，最终走向机电液一体化的高技术装备。但他们又都保持着企业的特点，如在液压油路的设计、控制显示手段、机架结构、布料系统 设计等。国外的压砖机企业紧跟行业终端产品而开发，紧跟社会的新科技不断提高，不轻易放弃自己的特色等做法应对中国压砖机的研制有重要的借鉴作用。 1.2.2 国内 全自动液压压砖机的 发展 我国由国家主管部门立项、自主研究取得成果，并一直影响坚持到今天的现代化全自动液压压砖机的研制应从 1986 年开始算起。由原国家建材局立项，咸阳陶瓷研究设计院牵头，华南理工大学、佛山陶机总厂联合研制的 600 型机于 1989 年通过鉴定，1993 年之后，逐步形成批量生产。力泰公司以此机型延伸形成系列化产品，由 600 吨至7200 吨级，直至 今天许多型号仍是国内市场销售的主要机型。上世纪 90 年代，福建海源企业以其充沛的开发能力，引入新技术，最早突破千吨级以上压砖机的研制开发并率先通过国家级鉴定，也先后成功推出超千吨系列产品投放国内市场。 1999 年，广东科达机电公司一举成功推出 3200 吨级压砖机并通过国家级鉴定，开创中国设计生产大型压砖机的年代，而发展到现在更是出现了 7800 吨的压机。因此中国对现代压砖机的研制开发是前后近 20 年的事，形成了由 “力泰 ”、 “海源 ”、 “科达 ”家能生产大型压机的企业作为龙头，另有十几家生产中小型压砖机的企业并存局面。 估计不久的将来，还会出台超万吨级的压砖机，满足高效生产超大规格尺寸砖的需求 1。 1.3 本课题研究的主 要内容与技术方案 本课题基于有限元分析软件 ANSYS WORKBENCH 和 PRO/MECHANICA 平台，对WL1700 全自动液压压砖机关键零、部件 进行 有限元结构分析 。技术方案流程图，如图1.1 所示。具体的方案如下： 3 图 1.1 技术方案流程图 （ 1） 研究 WL1700 型全自动液压压砖机的相关技术参数 ， 和模型特点， 为分析提供相 应的 理论 基础； （ 2）利用有限元方法对压砖机进行模态分析，分析出它的振动特性，找出振动中危险的位置； （ 3） 存在最大静 载荷 时，对 机架 、 活动横梁进行 静力 学分析， 分析结构的应 力 、应变 和 变形位移的分布规律，根据分析结果进行强度较核 ； （ 4）基于活动横梁的模态分析，对活动横梁动态时域分析，找出应力最集中的部位应力随时间变化的规律； （ 5）对活动横梁进行疲劳分析，找出疲劳循环次数、疲劳 破坏、安全系数、疲劳灵敏性。分析出活动横梁能不能达到疲劳强度的设计的要求 ； （ 6）在活动横梁静力学分析的基础上，对活动横梁进行拓扑优化 ，找出活动横梁能够去除材料的部位，为活动横梁的质量优化提供参考； （ 7）综合以上的分析结果，对压砖机的结构 提出相关的 修改 方案 ，以使液压压砖机的结构趋于合理达到优化的目的。 研究 WL1700 型全自动液压压砖机的相关技术参数 、模型特点 基 于 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS WORKBE 和 PRO/MECHANICA 平台，进行有限元结构分析 关键零、部件 PRO/E 模型 有限元分析结果评价 4 第 2 章 压砖机有限元分析的理论基础 2.1 全自动液压压砖机的工作原理、基本参数及结构特点 2.1.1 全自动液压压砖机 的工作原理 全自动液压压砖机的工作原理其实可以简化说明为液压机的工作原理 1。液压机是利用液压压力能来传递能量，以实现各种压力加工工艺的机器。液压机根据帕斯卡原理制成。 1 小柱塞，在力 F1=4P/d12 作用下 ，将经过连接管道等值传至大柱塞或活塞 2 上，使砖坯 3 受到作用力 F2=D12P/4，所以可得 F2=F1（ D2/D1），由于 D2D1,则 F2F1。由此可知，全自动液压压砖机就是利用在小柱塞上的较小作用力 F1，可以在大柱塞上产生很大的作用力 F2 ，其工作原理图 2.1 所示。 F 2F 2F 1321图 2.1 全自动液压压机工作原理图 1-小柱塞 2-大柱塞 3-坯体 2.1.2 全自动液压压砖机 的基本参数 基本参数是 全自动 液压 压砖 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 它的 工作能力及特点，也基本上定下了 它 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 1。 全自动 液压 压砖 机的基本参数有以下内容 ： （ 1） 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 ； 5 （ 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所允许的最大偏心值。 本课题中分析的 WL1700 全自动液压压砖机的主要技术参数如表 2.1 表 2.1 WL1700 全自动液压压砖机的主要技术参数 压机技术性能 单位 数值 公称压制力 kN 17000 模芯顶出力 kN 210 最大行程 mm 140 立柱间距 mm 1700 活动横梁宽度 mm 680 最大填料深度 mm 60 主油缸内最大工作压力 MPa 33.8 液压系统工作压力 MPa 16 主电机功率 kW 75 工作循环次数 次 /min 18 工作周期中加压次数 次 2 或 3 整机质量 t 46 2.1.3 WL1700 全自动液压压砖机 的结构 WL1700 全自动液压压砖由本体 (主机 )及 液压系统两部分组成， 压砖机主机部分 ,如图 2.2 所示。它由上横梁、下横梁、四个 立柱和十六个内外螺母组成一个封闭架框，框架承受全部工作载荷。工作油缸固定在上横梁上，工作油缸内装有工作柱塞，它与活动横梁连接。活动横梁以四根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动。上模装在活动横梁的下表面上，下模装在下横梁的工作台上。当高压液体进入工作缸后，在工作柱塞上产生很大的压力，并推动柱塞、活动横梁及上模向下运动，使坯体在上模、下模之间产 6 生塑变形。回程 油缸固定在下横梁上，其中有回程柱塞，它与活动横梁相连接。回程时 ,工作油缸为低压，回程油缸为高压，使回程柱塞向上运动，带动活塞横梁回到原始位置，完成一个工作 循环。 图 2.2 WL1700 全自动液压压砖 本文研究的 WL1700 型压砖机机架采用螺栓预应力结构，设计时充分考虑到WL1700 全自动液压压砖机的工况特点以及机架结构中的横梁和立柱的刚度问题，结构合理，变形小，寿命长。该机的主要特点如下： （ 1）台面宽，频率快，生产效率高； （ 2）采用强大的立柱导向，工作精度高； （ 3）顶出装置采用全液压控制，液压锁模，操作方便； （ 4）泵站采用全过滤液压装置，确保液压系统清洁度，降低压机故障率； （ 5）活动横梁的运动速度由比例插装阀控制，线性位移传感器检测位置，控制精度高，可在任意位置进行速度转换控制； （ 6）装置为独立辅机，可移开，拆装模具方便；料耙由油马达驱动，速度快，比例阀控制，可在任意位置进行速度转换控制，精度高； 7 （ 7）大型可编程序控制器，友好的人机界面，丰富的信息提示，操作、调节、维护极为方便。 2.2 有限元法 基本原理 2.2.1 有限元法基本思想 有限元的基本思想是：将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一插值函数以求表示单元 中中场函数的分布规律，进而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题 6。 2.2.2 有限元 分析步骤 有限元法分析问题的基本步骤 11： (1)结构的离散化。离散化就是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，使相邻单元的有关系数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体以代替原来的结构。结构离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来决定。 (2)选择位移差值函数。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 位移的分布作一定的假设，即假定位移是坐标的某个简单的函数。选择适当的位移函数是有限单元法分析中的关键。通常采用多项式作为位移函数。 (3)分析单元的力学特性。利用几何方程、结构方程和变分原理最终得到单位刚度矩阵。 (4)集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。先将各个单元刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列阵。 (5)由平衡方程组求解未知节点位移和计算单元应力。 2.2.3 有限元 法求解步骤 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体 公式推导和运算求解不同 11。有限元求解问题的基本步骤如下： （ 1） 问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 （ 2） 求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小 (网络越细 )则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化 8 是有限元法的核心技术之一。 （ 3）确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解 ，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 （ 4）单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵 (结构力学中称刚度阵或柔度阵 )。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺陷的危险，将导致无法求解。 （ 5）第五步，总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程 (联合方程组 )反映对近似求解 域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数 (可能的话 )连续性建立在结点处。 （ 6）联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 2.2.4 有限元 法的优点 有线元法的特点是适用于求解各种形式 (几何上、物理上 )复杂的问题，精度高，通用性强，对问题的处理既彻底又系统，适用于采用电子计 算机方式。它本是线性问题的解法，但通过迭代法 (如牛顿一拉裴森迭代法 )也能巧妙地解决非线性问题 12。其优点如下： (1)概念浅显，容易掌握。可以在不同的水平上建立起对该法的理解；可以通过非常直观的物理概念来理解；也可以建立基于严格的数学分析的理论。 (2)适用性强，应用广泛，几乎适用于求解所有的连续介质和场问题。 (3)采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速计算机所提供的方便。 2.3 计算软件的选择 本课题 采用 ANSYS WORKBENCH 和 PRO/MECHANICA 有限元分析软件， 对WL1700 全自动液压压砖机关键零、部件 进行 有限元结构分析 。 2.3.1 ANSYS WORKBENCH 软件简介 9 ANSYS WORKBENCH 软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。其分析类型有：结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、电压分析 15。 ANSYS WORKBENCH 软件具有以下三个方面的特点： （ 1）强大而广泛的分析功能：可广泛用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理及多场耦合的线性、非线性问题； （ 2）一体化的处理技术：主要包括几何模型的建立、自动网格划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及使用工具； （ 3）丰富的产品系列和完善的开放体系：不同的产品配套可应用于各种工业领域。 ANSYS WORKBENCH 分析过程包含 3 个主要的步骤： （ 1）创建有限元模型，并定义材料属性和划分网格； （ 2）施加载荷并求解； （ 3）查看结果，并分 析结果的正确性。 2.3.2 PRO/MECHANICA 软件简介 PRO/MECHANICA 是 美国 PTC 公司推出的可以完全实现几何建模和有限元分析的无缝集成 软件 。用户在 PRO/ENGINEER 环境下完成零件的几何建模后，无需退出设计环境就能进行有限元分析 17。 （ 1） PRO/MECHANICA 软件包是由以下 3 个模块组成的。 PRO/MECHANICA Structure 结构分析模块，可以进行机械零件、汽车结构、桥梁和航空结构等的结构分析和优化设计。它能够完成的分析种类有静力分析、模态分析、屈曲分析 、疲劳分析、非线性大变形分析等。 （ 2） PRO/MECHANICA Thermal 温度分析模块，可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。其分析数据可以返回到结构分析模块，进行灵敏度分析和优化设计。 （ 3） PRO/MECHANICA Motion 运动分析模块，可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查等。 2.4 本章小结 本章主要介绍了全自动液压压砖机的工作原理，结构特点以及其基本参数，同时详 10 细论述了有限元法 基本思想、有限元分析步骤、有限元法求解步骤及有限元法的优点。为 WL1700 全 自动液压 压砖机 关键零、部件 有限元 结构分析 打下基础。 11 第 3 章 全自动液压压砖机的模态分析 3.1 模态分析的 概述 模态分析用于提取结构的固有频率和固有振型，模态分析的重要性不仅是为了避免机械零件和结构在工作时发生共振，事先算出它们的固有频率和振型，而且还是分析结构动态响应和其他动力特性的基础。在结构设计时，固有频率和振型对于动载荷下的响应是非常重要的参数，因为结构的基本模态信息能有助于得出其动力 响应的特征。 3.2 压砖机模态分析 全自动液压压砖机在实际的工况中，当活动横梁快速返回到极限位置的时候，将会对上横梁及其它部件产生最大的冲击振动，因此也将该时刻 压砖机的模型作为有限元模态分析的对象 。 3.2.1 模型参数 把压砖机 的 PRO/E 模型 直接 导入到 ANSYS WORKBECH 中。定义压砖机模型各零件的材料属性 ，把 立柱、大螺母、柱塞、油缸套 、下横梁、 上横梁 定义 为结构钢，活动横梁 定义 为铸铁。由于在 ANSYS WORKBECH 中 ，只要 定义好了属于那种材料之后 ，材料的泊松比、弹性模量、密度 的 材料属性就 自动 设置好 了，材料属性如表 3.1。 表 3.1 压砖机的材料属性 材料名称 泊松比 弹性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 结构钢 0.3 2 105 7.85 10-6 铸铁 0.28 1.1 105 7.2 10-6 3.2.2 网格划分 模态分析中，把模型划为较粗的网格，对于模型的固有频率和振型的计算精度影响不大，但是可以减少计算时间。所以在压砖机模态分析中，把模型的网格划得较粗。 由于压砖机是一种框架结构，用三维实体单元来描述该结构，更能反映机架的实际情况。在 ANSYS WORKBENCH 软件种，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于压砖机这类较复杂的结构，对 其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活， 12 可以逼进复杂的几何形状，因此，对机架的网格划分采用四面体单元。因此 使 用系统 默认 （四面体单元）的 网格划分 方式对 压砖机模型 进行 网格划分 ，得到： 137377 个节点，91568 个单元， 其 模型网格图，如图 3.1 所示 。 图 3.1 网格 3.2.3 约束 在实际情况中， 压砖机 的下横梁通过螺栓固定于地基之上。因此，对压砖机模型的 下横梁的下底面添加固定约束，如图 3.2所示 。 图 3.2 约束 3.2.4 压砖机模态分析结果评价 压砖机自由振动 前六阶振型 云图 ，如图 3.3， 3.4， 3.5， 3.6， 3.7， 3.8 所示 。压砖 13 机模态分析结果 ，总结 如表 3.2 。 图 3.3 一阶模态 云图 图 3.4 二阶模态 云图 14 图 3.5 压砖机三阶模态 图 3.6 压砖机四阶模态 15 图 3.7 五阶模态 云图 图 3.8 六阶模态 云图 16 表 3.2 压砖机模态分析结果总结 模态 阶数 自由振动频率（ Hz） 最大振幅（） 模态振型描述 1 17.02 0.349 压砖机 上部前后弯曲振动 2 37.7 0.247 压砖机 上部左右弯曲振动 3 52.19 0.364 压砖机 左右两端扭转振动 4 90.1 0.419 上横梁的上部和活动横梁下部绕其中部作前后转动振动 5 114.7 0.211 上横梁和活动横梁的中部 上下伸缩震动 6 148.54 0.450 上横梁和活动横梁绕它们中部左右转动振动 一阶振型（ f1= 17.02 Hz ）为 压砖机上 部前后弯曲振动，该振动将会增大 压砖机 四个拐角处的 弯 矩，从而增加其应力，同时加剧导套的磨损。 二阶振型（ f2=37.7Hz ）为 压砖机 上部左右弯曲振动，该振动将增大上下横梁的 弯矩，同时加剧导套的 磨损，给上模及液压缸的使用寿命带来不利影响。 三阶振型（ f3 52.197Hz ）为 压砖机 左右两端受扭转振动，该振动将会增大上下横梁的扭矩，同时加剧立柱的磨损。 四阶振型（ f4=90.1 Hz）为上横梁的上部和活动横梁下部绕其中部作前后转动振动，该振动将会增大四个拐角处的弯矩，同时，加剧 压砖机 导向部分的磨损。 五阶振型 （ f5=114.7 Hz ）为上横梁和活动横梁上下伸缩振动，该振动也将增大机架四个拐角的应力，同时，对与压砖机上横梁相连接的上模以及与下横梁相联接的液压缸、立柱、大螺母使用寿命产生不利影响。 六阶振型（ f6 148.54 7Hz ）为上横梁和活动横梁绕它们中部左右转动振动，该振动将会增大上横梁的弯矩和四个拐角的应力同时加剧立柱部分的磨损。 从以上的振型分析可以看到， 压砖机 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 压砖机 的强度和刚度，加重 压砖机 立柱的磨损，影响的陶瓷砖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。 对 压砖机 前六阶模态分析 可得 ： （ 1） 压砖机 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，这有利于 压砖机的动力性能； 17 （ 2） 压砖机 的最小 固有 频率为 17.02Hz 。 （而机架的冲击频率最大为 0.3Hz 即 18次每分钟），远远大于其冲击频率，因而该压砖机不会发生共振 综上所述， WL1700 全自动液压压 砖 机具有合理的动态参数，符合设计要求。 3.3 本章小结 本章通过对 压砖机的 模态分析 ， 可知 压砖机 的模态 特性 主要取决于： （ 1） 压砖机结构的质量分布 ； （ 2） 压砖机 结构的刚度及其所受的约束情况。 18 第 4 章 机架的静力学分析 压砖机的机架在传统的设计中，都显得笨重，而且在一些零件的关键部位出现强度不够。本章通 过对机架的静力学分析，得到机架的全场应力、应变、位移的情况， 并进行强度较核，找出设计的缺陷。 4.1 结构静力 学分析概述 结构 静力 学 分析是用于 分析稳态 载 荷或固定不变的惯性载荷（如重力和离心力）引起的系统或部件的 应力 、应变、变形位移 等。 结构 静力 学 分析包括线性和非线性分析 11。 结构静力学分析的方程： Kx=F （ 4.1） 结构静力学分析就是按方程 4.1 平衡关系确定计算的，其中 K为刚度系数矩阵， x为位移矢量， F为力矢量 11。 4.2 机架静力学分析 4.2.1 模型参 数 在 机架的结构静力学分析时，认为活动横梁与立柱之间的运动不应有干涉 ，因此去掉活动横梁 及与活动横梁连接的柱塞和模具。所以压砖机整机 PRO/E 模型进行相应的简化之后，直接 导入到 ANSYS WORKBENCH 中。定义机架的材料属性，定义为 上 横梁 、下横梁、立柱、油缸套、大螺母 为 结构钢。材料参数如表 4.1。 表 4.1 压砖机的材料属性 材料名称 泊松比 弹性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 结构钢 0.3 2 105 7.85 10-6 4.2.2 网格划分 由于机架是一种框架结构，用三维实体单元来描述机架 结构，更能放映机架的实际情况。在 ANSYS WORKBENCH 软件种，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元在划分是要求结构比较规则，而对于机架这类较复杂的结构，对其进行六面体网格的自动划分十分困难，而用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼进复杂的几何形状，因此，对机架的网格划分采用四面体单元。 并且对可 19 能出现危险部位进行网格细化，以至分析的结果能较为精确。 划分网格的结果是模型中共有 213752 个节点， 140050 个单元，机架模型网格如图 4.1 所示 。 图 4.1 机架模型网格图 4.2.3 约束和载荷 根据实际情况，对 下横梁的下表面施加 固定约束 。 从 WL1700 全自动液压压砖机的主要技术参数表 2.1，可知主油缸的最大工作压力为 33.8MPa，作用在下横梁上表面 的 作用力 F 由工程压制力和活动等零部件的重力产生，作用力的大小为 17701301N，它与下模具接触的面积为 1041253mm2,所以作用于下横梁上表面的压力 P 的大小如下： P=F/S=177000130/1041253=17MPa (4.2) 上横梁主油缸内的 载荷 按均布载荷作用在油缸内壁 ； 下横梁与下模具接触表面的载荷也按 均布载荷 考虑 1。 施加约束和载荷的结果，如图 4.2 所示。 20 如图 4.2 施加压机架模型的约束和载荷 4.2.3 机架静力学分析结果评价 机架静力学分析云图，如图 4.3， 4.4， 4.5 所示。分析结果总结如表 4.2。 图 4.3 机架的应力云图 21 图 4.4 机架的应变云图 图 4.5 机架位移图 表 4.2 机架静力学分析分析结果总结 机架的位置 应力（ MPa） 应变（ 10-2mm/mm） 位移 (mm) 上横梁油缸顶角处 200.37 0.170 立柱与上、 下横梁的拐角处 224.153 0. 260 0.930 上横梁中部 1.753 22 上横梁使用的 ZG310-570,立柱使用的材料为 45 钢，它们的材料主要力学性能参数如表 4.3 表 4.3 ZG310-570 和 45 钢的主要力学性能 材料名称 屈服强度（ s/MPa） 抗拉强度（ b/ MPa） ZG310-570 310 500 45 钢 353 598 上横梁的安全系数： n1=310/200.153=1.549,立柱的安全系数 n2=353/224.153=1.575从参考文献 19中查得，铸钢 和 45 钢的完全系数都为 1.21.5,所以它们的设计满足静力强度的设计要求。 4.3 本章小结 最大 的应力存在于 上横梁、底座和立柱之间的交接 的拐角处 ,是这些 部位存在附加弯矩，故产生较大的应力 ；在油缸内上部角处产生较大的应力，是在高压作用下，产生应力集中现象。 上横梁中部 的位移变形横 立柱 位移变形位都会影响活动横梁的运动精度，还使得立柱与活动活动横梁之间产生相互的作用力，同时增加它们之间的磨损。在上横梁油缸顶角处的应力较大，通过适当的增大过渡圆角值，使应力值减小。 通过静力强度较核 发现，立柱和上横梁的安全系数要高于许用的安全系数，这可能是在传统的设计中，太保守的设计所造成的，这样的设计导致压砖机比较笨重，而且提高了生产成本。 23 第 5 章 活动横梁的有限元分析与优化 活动横梁是压砖机中压制陶瓷砖的关键的运动零件，它受到柱塞对它的冲击，模具对它的挤压力，并且长期工作在脉动载荷下，常发生断裂的严重事故。所以对活动横梁采用比较全面的有限元分析与优化。 5.1 静力学 分析 在活动横梁存在最大公称压制力的情况时，对活动横梁的进行静力学分析。 得到活动横梁的应力、应变、位移，并且对其强度进行较核。 5.1.1 模型参数 把 用活动横梁 PRO/E模型直接 导入到 ANSYS WORKBECH中 ， 定义活动横梁材料为铸铁 ，即材料属性如表 5.1。 表 5.1 活动横梁的材料属性 材料名称 泊松比 弹性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 铸铁 0.28 1.1 105 7.2 10-6 5.1.2 划分网格 选用四面体单元对对活动横梁进行网格划分，并且划为较细的网格， 划分网格的结果是模型中共有 22580 个节点， 14650 个单元，活动横梁模型网格图，如图 5.1 所示 。 图 5.1 活动横梁模型网格图 5.1.3 约束 和载荷 24 活动横梁的四个力柱孔分别受到四根立柱的 仅有压缩约束。仅有压缩约束是仅仅限制这个表面在约束的法向正方向的移动。在任何给定的表面可以施加法向仅有压缩的约束。解释这种约束的一种方法就是将它想象为一个 “刚性 ”结构，它与选择的表面有相同的形状。注意到这些接触（压缩）面事先不知道。可以在一个圆柱面上模拟 “扣牢的圆柱约束 ”。如图 5.2所示，显示出了没有变形的圆柱的轮廓。有压缩力的表面阻止原始圆柱变形，而可伸长的表面自由变形。这种约束需要一个迭代来求解。由于事先不知道压缩面的行为，所以需要利用迭代求解器来判断哪个表 面显示的是压缩行为。 图 5.2 仅有压缩约束 从 WL1700全自动液压压砖机的主要技术参数可知， 活动横梁的上 部与柱塞接触的表面 受到的 最大公称压制力 为 17000000N，而且 接触的上表面面积 385456mm2，所以压力为 44.104MPa,活动横梁的下 表 面受到的 来自坯料的作用力等于公称压制力与活动横梁的重力之和，其大小为 17042359N，活动横梁与下模接触的面积为 1041253 mm2,所以下表面的挤压力为 16.356MPa。 活动横梁模型约束和载荷， 如图 5.3所示 。 图 5.3 活动横梁模型约束和载荷 25 5.1.4 活动横梁静力学分析结果 活动横梁静力学分析的应力、应变、位移结果， 如图 5.4， 5.5， 5.6 所示， 分析结果 总结 ， 如表 5.2。 图 5.4 活动横梁的应力云图 图 5.5 活动横梁的应变云图 26 图 5.6 活动横梁位移图 表 5.2 活动横梁静力学分析结果 出现的位置 最大应力（ MPa） 最大应变（ 10-2mm/mm) 最大位移(mm) 立柱孔和中间孔处 122.076 0.111 0.476 活动横梁选用铸铁为 HT350， HT350 材料的主要力学性能如表 5.3。 对活动横梁进行 静力学的强度较核： n=350/122.076=2.87。 从参考文献 19中查得，铸铁零件要求的安全系数为 1.52.5。 所以能满足 活动横梁静力学强度 设计的要求。 表 5.3 HT350 材料的主要力学性能 材料名称 抗拉强度（ MPa） 抗压强度（ MPa） 疲劳强度（ MPa） 抗剪强度 （ MPa） HT350 350 1100 1300 140180 350 500 活动横梁的上表面的孔处和 四个 立柱孔处， 出现最大应力集中现象。 立柱孔处的应力集中主要是弯 矩 引起 ；中间孔处主要是柱塞的压力所引起。 5.2 动 态时域分析 27 5.2.1 动态时域分析 概述 动态时域分析 用于研究 随时间变化 的 载荷作用下结构 应力、应变、位移等的 响应技术 16。 求解结构动态时域分析的方法有振型叠加法和直接积分法。前者用模态振型矩阵作为变形矩阵，将结构在物理空间上耦合的动力学方程转化为在模态空间上的一组非耦合动力学方程，然后利用单自由度振动方程的动态响应分析方法求解，最后叠加到结构在物理空间的运动响应。该法应先求出结构的固有频率和固有振型，因而适应于阻尼矩阵C可以对角化和不太复杂的激振力的情况。而后者则对动力方程直接用数值积分法求解，将 时间离散化，在一个时间间隔内对位移、速度和加速度的关系做某种假设，将运动方程转化成该时刻点上位移矢量的代数方程，最后用递推公式求解。该法不须先求出结构的固有频率和振型，因而适合动载荷复杂情况 10。 动态时域分析是研究结构在外部激振力的作用下的各种响应，包括应力、位移等的响应。结构在外部激振的响应导致系统内部产生动态应力和动态位移，从而影响产品的使用寿命和工作性能。 采用 Pro/MECHANICA 的分析 软件，对活动横梁进行动态时域分析 ， 分析随 时间变化的载荷下，不同时 刻 模型应力 、 应变 及位移 。此外，创 建一个 应力变化的 测量值。 5.2.2 模型参数 在使用 Pro/MECHANICA 有限元分析元件中，自定义活动 材料属性 ，如表 5.4，定义好材料属性之后，分配于整个活动横梁模型上。 表 5.4.活动横梁的材料属性 材料名称 泊松比 弹性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 铸铁 0.28 1.1 105 7.2 10-6 5.2.3 划分网格 划分网格与在 ANSYS WORKBENCH 中类似，使用四面体实体单元进行网格划分，对于活动横梁应力集中的部位采用较细的网格。划分的网格的结果是模型中 有 26834 个节点， 16935 个单元 ，其网格图，如图 5.7 所示。 28 如图 5.7 活动横梁网格图 5.2.4 约束和载荷 添加约束条件 ，约束活动横梁两侧的四个立柱孔， x、 z 方向作为固定， y 方向保持自由 ， x、 y、 z 的转动，也作为固定。 定义 随时间变化的载荷， 通过表格的方式绘制。活动横梁的上表面与柱塞接触的面积 S1=385456mm2,作用力为 F1；下表面受到挤压力的面积 S2=1041253mm2,作用力为 F2。所以，上表面的压力 P1=F1/S2，下表面的压力 P2=F2/S2,它们表面作用力随时间变化，如表 7.1。根据表格， 在软件 Pro/MECHANICA 的分析中 绘制的函数图，如下图 5.8 和图5.9 所示。活动横梁模型在动态时域分析约束和载荷 如图 5.10 所示。 表 5.5 活动横梁随时间变化的载荷 受压力的表面 活动横梁压制坯料的时间 (s) 0 0.1 0.4 0.5 0.8 0.9 1.3 上表面 S1(MPa) 0 11.026 11.026 25.727 25.727 44.104 44.104 下表面 S2(MPa) 0.044 4.122 4.1220 9.559 9.559 16.356 16.356 29 图 5.8 上表面随时间变化载荷的函数图 图 5.9 下表面随时间变化载荷的函数图 30 图 5.10 活动横梁模型在动态时域分析约束和载荷 5.2.5 活动横梁的动态时域分析 结果评价 依据前面的静态应力分析的结果，在最大应力处建立测量点 Measure1,即选择活动横梁中间孔的边缘一 点作为测量点。动态时域分析之后，得到测量点在此时域上的应力变化如图 5.11 所示， 其最大的应力值为 131.5MPa，而静态分析的应力值 122.076MPa,在动载荷下的应力值 比 最大的静载荷的应力值增大了 9%。 动态时域分析的应力云图，如图 5.12， 5.13， 5.14 所示。 图 5.11 测量点的应力变化 31 图 5.12 活动横梁的应力 图 5.13 活动横梁的应变 图 5.14 活动横梁的位移 经分析发现，活动横梁的中间孔和两侧的四个立柱孔，存在显著的应力集中的现象。在活动横梁铸造时应严格铸造工艺，减少缺陷，不能出现微裂纹或微孔隙。四个立柱孔 32 处应力集中最为显著，因此，在活动横梁的四个立柱孔处装上结构钢的导套，来缓解应力集中导致立柱孔处的破坏，并且提高活动横梁的导向性。 5.3 疲劳分析 5.3.1 疲劳分析概述 疲劳是指结构在底于 静态强度极限的载荷重复作用下出现疲劳断的现象 14。疲劳破坏的主要因素 有 载荷的循环次数；每一个循环的应力副值和平均应力；局部应力集中 14。 疲劳破坏的过程是 :零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处，最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、裂纹扩展和瞬断三个阶段。 疲劳分析原理 是 采用了简化的弹性假设和 Miner 累积疲劳准则。 Miner 累积疲劳准则 是 材料在重复外载荷作用下，其内部的微缺陷和空穴不断地产生与发展，从宏观上表现为 材料损伤的累积，当材料的损伤累积达到临界值时则产生失效 15。 5.3.2 活动横梁疲劳分析 活动横梁在运动过程中，各点应力变化符合脉动应力变化规律。 脉动循环 变应力 曲线如图 5.15 所示， 纵坐标 值 1 表示活动横梁 的最大应力值。 活动横梁的疲劳分析是建立在静力 学 分析的基础上的，因此， 活动横梁的 疲劳分析 处理和其线性静力分析很相似 ,因此这里不 做 详细 的 介绍。 不通在于要定义材料的 S-N 曲线，只是在求解时，选用疲劳求器 ， 即可 。 图 5.15 脉动循环变应力 一般的 SN 曲线有这样的共同特点，即当破坏循环次数小于 103，疲 劳极限 x 接近于 b，而且在 1 到 103 之间，变化不大；而且当循环次数大于 106 时，疲劳极限 x 趋近于 -1，而在 103106 之间，存在着关系式 mx Nc ， m 和 c 为常数，对等式两边取 33 对数后得 ： l g l g l gx Ncm （ 5.1） 因此 在双对数坐标的 SN 曲线图 lgx 和 lgN 之间存在线形关系，只要知道 103 和 106两点的值，这个直线就确定了。在 N 103 时，近似取 x=0.9b，而在 N106 时，近似取 x=-1，由于活动横梁的材料为铸铁，型号为 HT350，它的 b=350MPa， -1=180MPa。所以，当 N=103 时， x=315 MPa；当 N=106 时， x=180 MPa，所以在 铸铁材料 HT350的 SN 曲线 ，如图 5.16 所示。 图 5.16 SN 曲线 活动横梁的设计寿命为循环 109 次，即为 高周疲劳 ，受 应力幅控制 ， Mean Stress Theory 选用工程上较为常用的 Goodman 曲线 ， 如图 5.17 所示 。 图 5.17 Goodman曲线 34 5.3.3 活动横梁疲劳分析结果 （ 1）活动横梁的疲劳寿命分析结果，如下图 5.18 所示。 从 分析结果 中得到 活动横梁的疲劳寿命最小值也能达了 109， 到达了设计的寿命要求， 因此符合活动横梁寿命的设计要求 。 图 5.18 活动横梁寿命 （ 2） 安全系数是指 计算出 来的 各个节点 寿命与 指定的设计寿命 之比 。 分析结果如图 5.19 所示，安全系数为 1.741，从参考文献 19中查得，铸铁零件要求的安全系数为1.52.5。所以活动横梁的设计符合安全可靠的要求。 图 5.19 活 动横梁安全 系数 （ 3）活动横梁的疲劳灵敏性是指在静态分析载荷在 0 与 150%之间作脉动循环时，活动横梁的疲劳寿命变化情况。活动横梁载荷的脉动变化的实际变化为 0 到 100%之间，所以通过分析结果 图 5.20，可知，活动横梁的疲劳灵敏性非常好。 35 图 5.20 活动横梁的疲劳灵敏性 通过对活动横梁的 疲劳计算 ， 活动横梁的疲劳寿命 、 安全系数，都能达到活动横梁疲劳设计的要求 ；活动横梁的疲劳灵敏性在脉动载荷变化的情况下，灵敏性非常好。 5.4 拓扑 优化 5.4.1 拓扑 优化 概述 拓扑 优化 是形状 优化，有时也称为外型优化。 外形 优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为 “最大刚度优化 ”设计。 与传统的优化设计不同的是， 拓扑 优化不需要给出参数和优化变量。目标函数、状态变量和设计变量都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数（如材料特性、模型、载荷等）和需要省去的材料百分比。 拓扑 优化只适用于实体。 形状 优化的目标函数是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能。减少结构的变形能相当于提高结构的刚度。这种技术通过使用设计变量给每个单元赋予内部伪密度来实现 16。 36 5.4.2 ANSYNS WORKBENCH 拓扑优化 “Shape Finder”是一个优化问题 ,其结构能量在减少结构体积的基础上的最小化。它尽量得到关于体积比率的最好刚度；尽可能的找寻可以在对整体结构的强度不产生负面影响的可去除的面积。 由于 “Shape Finder”在载荷和约束的基础上尽量减少体积和增大刚度， 因此载荷和约束十分重要并会影响结果 。 “ Shape Finder” 一般在载荷施加的地方和约束反作用于载荷的地方保持材料不变 。 缩减材料不能太多，否则会导致行架式结构。 “Shape Finder”基于一个单独的静力结构环境下 ，“ Shape Finder” 不能用于复合环境下。 5.4.3 活动横梁 的拓扑 优化 活动横梁的 拓扑 优化处理和其线性静力分析很相似 ,因此这里不是所有的步骤都详细介绍。 只是