MC80 型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计
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MC80
型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计
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广陵学院毕业设计（论文）开题报告学 生 姓 名： 汤跃进 学号： 100007132专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： MC80型双主机大梁冲机身结构 有限元分析及优化设计 指 导 老 师： 郑 翔 2014年 3 月 20 日毕业设计（论文）开题报告1、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1压力机综述装备制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术装备的制造业,是制造业的核心组成部分,是国民经济发展特别是工业发展的基础。在装备制造业中,锻压制造是目前全世界应用最为广泛的制造方法之一。而在锻压机械中,机械压力机又占有很大的比重。众所周知,由于采用现代化的锻压工艺生产工件具有生产效率高,材料利用率高和改善了制件的内部组织及力学性能,质量好,能量省和成本低的优点。所以,工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替传统的切削工艺和其他工艺。几十年来,机械压力机广泛应用于冲裁,落料,弯曲,折边,拉伸及其他冷冲压工序,是汽车,摩托车,家用电器,仪器仪表,轻工,国防工业,化工容器,电子等行业必备的关键设备。伴随着工业的发展,压力机的种类和数量越来越多,质量要求越来越大,能力越来越大,它在制造业和其它相关行业中的作用日趋显著1。机械压力机2是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动的锻压机械,用于对材料进行压力加工的机床,通过对坯件施加强大的压力使其发生变形和断裂来加工成零件。工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高,易于实现机械化、自动化,适于在自动线上工作,广泛应用于汽车、船舶等工业机械压力机。最初的机械压力机的锻压操作是通过曲柄滑块机构3来实现的,即将电机的旋转运动转换为滑块的直线往复运动,从而对零件进行加工, 机械压力机在一个工作周期内锻压操作集中于很短的时间内,即所说的具有冲击性的载荷,这也是工件塑形变形的高峰负荷区域。在这段很短的时间内,最大功率要比平均功率大十几倍以上。为了实现这种效果,必须在传动系统中设置飞轮来为实现这巨大的瞬时功率提供动能。曲柄滑块机构型的机械压力机随着经济和工业的发展,呈现出很大局限性，这样多连杆驱动这一概念就应运而生了。早在上世纪 20 年代,它就第一次在文献中出现的该技术被为“专利快返 压机驱动”技术。1950年德国BLISS-MECHEAL公司制造的称为“均匀行程”的压机被介绍为“可以提供比较慢的拉深速度、较快的上行程,从而提高生产率的压力机”。传统曲柄滑块机械压力机具有在上下模时冲击速度过高、滑块速度递减过快、公称压力不能及时完全达到导致无法拉深较深的零件等缺陷,而多连杆压力机克服了这些缺陷使其具有理想的运动曲线,更加适合于冲压生产。机械多连杆压力机的具有以下优点4为:若机构只设计很小的偏心距,也能够达到相对比较大的冲压滑块的行程,更好地满足冲压工艺和机器自动上料下料的需要;可以实现较大的拉深深度。在允许的条件下,机械多连杆压力机拉深深度可达 320mm,而一般曲柄压力机只有70mm 左右;成形过程速度低且均匀,而空程运行时速度快,因此生产率高;可以有效地减小工作过程中冲压滑块中对冲压模具的冲击,以提高模具的使用寿命,也就提高了成形零件的质量29。多连杆机械压力机理论上可以通过设计和改造传动系统的结构来实现绝大多数的冲压工艺曲线,因此对多连杆压力机而言,满足用户工艺曲线要求的多连杆杆系设计和性能优化是技术核心,也是难点。国内外许多学者对机械多连杆压力机进行大量的研究。多连杆压力机尤其是大型重载多连杆压力机是机械压力机技术发达程度的最新体现。国外许多著名的压力机生产商,如日本的小松制作所(KOMATSU)、会田(AIDA)、德国米勒万家顿(Mller WeingartenAG)等均研制开发了多种型号的机械多连杆压力机,其产品代表当今机械多连杆压力机的最先进水平。自上世纪八十年代以来,我国的一些企业先后引进了日本小松制作所的机械压力机、德国埃尔富特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的高速精密压力机等多种压力机产品技术,使我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高。但是,国内多连杆压力机主要依靠进口技术,缺乏自主创新开发能力,这致使中国在这一领域始终处于落后的地位。目前,国内主要有中国第一重型机械厂、济南二机床、齐二机床公司、上海锻压机床厂等厂家研发生产大型机械压力机,这也代表了中国大型机械压力机生产制造的最高水平。但由于设计制造水平、工艺水平及加工机床能力和精度的限制,与国际先进水平相比仍存在差距。同时受国外厂商技术保护的影响,中国引进的技术只是在国际上已较为落后的机型及图纸、规格等,而且要价高昂,外方还不提供设计思想、设计方法和设计手段。Hsieh 等5利用增广拉格朗日法对瓦特链六连杆机构的机械压力机进行尺度优化设计,使其冲压滑块具有均匀的速度、稳定的机械增益比、快速回程特性和较小的滑轨侧向力,更适合用于板料拉延工艺。Tso 等6提出由齿轮五连杆机构和曲柄滑块四杆机构组成的九连杆机构,为得到较好的运动学特性,运用试错法进行连杆机构的尺度综合研究,但九杆连杆机构的设计变量较多,结构复杂,给优化带来一定难度。赵升吨等7-8在分析通用机械压力机曲柄连杆滑块工作机构运动特性存在不足的基础上,提出研制一种具有低速锻冲急回特性的新机构。分析目前常见的低速锻冲急回机构负偏置机构、连杆曲线型六杆机构、齿轮连杆组合机构、椭圆齿轮机构和双曲柄串连构等的运动特性、优缺点及其适用场合。通过对斯蒂芬森六连杆机构滑块产生低速运动机理的分析,指出机械压力机滑块能否产生低速运动主要是由连杆曲线是否具有低速运动段所决定的。并采用遗传优化算法对双曲柄串联机构参数进行优化设计。何予鹏等9设计一种双电机驱动的机械压力机传动系统.该传动系统主要由差动轮系、行星轮系和 2 个普通电机组成,通过控制 2 个电机的运转和停止,使得机械压力机滑块得到 2 种不同的工作速度,从而既保证滑块的工作效率,又大大降低滑块锻冲时的工作速度。Hsieh 等10提出将十字滑块联轴器应用在瓦特型多连杆压机中,通过运动学建模和计算仿真,认为该设计具有很好的输出运动特性。Ham等11则设计一种曲柄弧线导杆机构驱动的多连杆压力机,并将该驱动机构与其他压力机多连杆机构(曲柄连杆和直线导杆机构)的运动学性能和负荷能力进行分析和对比。Mundo 等12以提高机械压力机运动学性能为目的将凸轮引进连杆机构并进行平面凸轮连杆机构的型综合研究,经过两步型综合优化法,得到适用于深拉伸和精压的连杆构型。Doege 等13-14利用非圆齿轮的运动特性以获得不同的冲压滑块运动特性,满足不同的冲压工艺需要。Chiou 等13是以减小压力机驱动机构的摆动力和摆动力矩为目标,通过盘式配重法进行机构动力平衡综合,多目标优化平衡。Neumann 等15使用三个不同复杂程度的数学模型和计算机仿真对单点驱动偏心式机械压力机的动态性能如:工作精度、冲压滑块的倾斜度、机座的弹性变形、不同轴承间隙配合对摩擦损耗的影响等进行研究,并得到实验结果的验证28。1.2有限元的发展有限元法(Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法最初应用在工程科学技术中,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题,有限元法则是一种有效的分析方法。有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析30。这种化整为零,集零为整的方法就是有限元的基本思路16。有限元法是R.Courant于1943年首先提出的17。自从提出有限元概念以来,有限元理论及其应用得到了迅速发展。过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题,都得到了新的解决方案。传统的FEM假设:分析域是无限的;材料是同质的,甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的;对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等18。为解决这类问题,美国学者提出用GFEM (Gener-alized Finite Element Method)解决分析域内含有大量孔洞特征的问题19;比利时学者提出用HSM(the Hybrid metis Singular element of Membraneplate)解决实际开裂问题20。在FEM应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时,FEM也从分析比较向优化设计方向发展21。印度Mahanty博士用ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计,结果不但降低了约40%的前桥自重,还避免了在制造过程中的大量焊接工艺,降低了生产成本。FEM在国内的应用也十分广泛。自从我国成功开发了国内第一个通用有限元程序系统JIGFEX后,有限元法渗透到工程分析的各个领域中,从大型的三峡工程到微米级器件都采用FEM进行分析22-23,在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。目前在进行大型复杂工程结构中的物理场分析时,为了估计并控制误差,常用基于后验误差估计的自适应有限元法。基于后处理法计算误差,与传统算法不同,将网格自适应过程分成均匀化和变密度化2个迭代过程。在均匀化迭代过程中,采用均匀网格尺寸对整体区域进行网格划分,以便得到一个合适的起始均匀网格;在变密度化迭代过程中只进行网格的细化操作,并充分利用上一次迭代的结果,在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化,保证了全局网格尺寸分布的合理性,使得不同尺寸的网格能光滑衔接,从而提高网格质量。整个方案简单易行,稳定可靠,数次迭代即可快速收敛,生成的网格布局合理,质量高24。1.3ANSYS综述ANSYS 是一款以有限元分析为基础的大型通用 CAE软件，是现代产品设计中的高级CAD工具之一25。ANSYS中的Structral 模块提供了完整的结构分析功能，包括几何非线性材料非线性各种动力学分析等计算能力，此程序包在结构分析方面具有强大的功能!在实际生产过程中，常常会遇到各种各样的机械结构分析问题：如机械结构受力，变形及内部应力情况等等，利用ANSYS 软件对机械模型进行仿真模拟计算，通过应力应变云图直观展示构件的性能特点，从而为解决机械结构中常见的问题提供理论依据。ANSYS 仿真分析的结果可以帮助设计人员对实际生产方案作出准确的判断，节省物力财力，为提高生产效率及缩短设计研发周期的产生有很大的作用31。ANSYS软件计算分析的原理是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，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个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学固体力学结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从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26求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。目前，ANSYS软件已广泛应用于机械制造石油化工轻工造船航空航天汽车交通电子土木工程水利铁道日用家电等一般工业及科学研究27，其技术涵盖多个学科领域!随着发展，ANSYS提供的机械工程仿真技术将越来越成熟，设计人员以真正耦合的方式使用ANSYS 技术，可获得符合现实条件的解决方案，而综合多物理场产品组合能使用户利用集成环境中的多个耦合物理场进行仿真与分析ANSYS软件可让用户更深入地钻研，从而解决更多种类的问题，处理更为复杂的情况。因此，ANSYS产品以其灵活的仿真性能将会被越来越广泛地关注和应用。参考文献：1 林静，机械压力机故障诊断系统的研制，广东工业大学硕士学位论文，2013.62 1. Voelkner W. Present and future developments of metal forming: selectedexampleJ. J Mater Process Technol. 2000; 106: 2362423 何德誉. 曲柄压力机M. 北京:机械工业出版社. 1981:1-34 白勇军. 大型重载伺服机械压力机的关键技术及实验研究C. 上海:上海交通大学,20125 Hwang, W.M., Hwang, Y.C. and Chiou, S.T. A drag-link drive of mechanical presses for precisiondrawing J. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1995, 35 (10), 14251433.6 Tso, P.L. and Liang, K.C. A nine-bar linkage for mechanical forming presses J. International Journalof Machine Tools and Manufacture. 2002, 42 (1): 139145.7 赵升吨,何予鹏,王军. 机械压力机低速锻冲急回机构运动特性的研究J. 锻压装备与制造技术.2004, 38(3): 24-32.8 何予鹏, 赵升吨, 王军, 袁建华. 具有低速锻冲特性的机械压力机工作机理的研究J. 机械工程学报. 2006,42(2):145-149.9 何予鹏,陈合顺,娄伟,赵升吨. 机械压力机双电机驱动传动系统研究J,河南农业大学学报. 2007,41(5): 588-590.10 Hsieh, W.H. and Tsai, C.H. On a novel press system with six links for precision deep drawing J.Mechanism and Machine Theory. 2011, 46: 239252.11 Ham, K.C. and Jang, D.H. Kinematical analysis on the several linkage drives for mechanical presses J.Journal of Mechanical Science and Technology. 2009, 23(2): 512524.12 Mundo, D., Danieli, G. and Yan, H.S. Kinematic optimization of mechanical presses by optimalsynthesis of cam-integrated linkages J. Transactions of the Canadian Society for MechanicalEngineering. 2006, 30 (4): 519532.13 Doege, E. and Hindersmann, M. Optimized kinematics of mechanical presses with non-circular gearsJ. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 1997, 46 (1): 213219.14 Doege, E., Meinen, J. Neumaier, T. and Schaprian, M. Numerical design of a new forging press driveincorporating non-circular gears J. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B:Journal of Engineering Manufacture. 2001, 215(4): 465-471.15 Neumann, M. and Hahn, H. Computer simulation and dynamic analysis of a mechanical press based ondifferent engineer models J. Mathematics and computers in simulation. 1998, 46(5-6): 559574.16 崔红新,程方荣,王健智.有限元法及其在生物力学中的应用J.中医正骨,2005,17(1):53 -55.17 李开泰,黄艾香,黄庆怀.有限元方法及其应用M.西安:西安交通大学出版社,1992:1 -3.18 于亚婷,杜平安,王振伟.有限元法的应用现状研究J.机械设计,2005,22(3):6 -8.19 Daniel S Pipkinsay, Satya N Atlurib. Applications of the threedimensional method finite element alternating methodJ . Fi-nite Elements in Analysis and Design, 1996(23):133 -153.20 Theofanis Strouboulis, Lin Zhang, Ivo Babu ska. Generalizedfinite element method using mesh -based handbooks: applica-tion to problems in domains with many voids. Compute J.Methods Appl. Mech. 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