J75G-200閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

- 1 - 廣陵 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)機(jī)化 設(shè)計(jì)（論文）題目： J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu) 有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 老 師： 2014 年 3 月 20 日 - 2 - 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 1、 結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000 字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 1.1 國(guó)內(nèi)外高速壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械 行業(yè) 是國(guó)民產(chǎn)業(yè)中極其重要的基礎(chǔ)行業(yè) 1。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)需求也越來越多，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)正從以機(jī)器為特征的傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)代向著高速化、 高精化和柔性化的信息時(shí)代發(fā)展，即利用當(dāng)代高科技信息來裝備傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè) 2。我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì) 高速壓力機(jī) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。本課題的研究主要是為了為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能，質(zhì)量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)，增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。本課題中的 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)采用兩種有限元分析軟件 Ansys Workbench 10.0 和 Abaqus 對(duì)其剛度和強(qiáng)度分別進(jìn)行模擬分析 ,得出機(jī)身的應(yīng)力和變形的分布 ,為結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù) 3。 高速壓力機(jī)的發(fā)展將近有 100 年的歷史。 1900 年德國(guó)的舒勒 (SCHULER)壓力機(jī)公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺(tái)自動(dòng)化壓力機(jī) 4。美國(guó)亨利特公司在 1910 年首創(chuàng)四柱底傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)，當(dāng)時(shí)稱為 dieing machine5。在 1955 年以前該機(jī)為高速壓力機(jī)的代表機(jī)型。以后隨著電機(jī)和電器工業(yè)的發(fā)展，各國(guó)紛紛研制高速壓力機(jī)。 1953 年德國(guó)舒勒公司生產(chǎn)出 1250kN 閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)，行程 20mm，行程次數(shù)達(dá)到 150rpm6。后來美國(guó)明斯特（ MINSTER）公司推出的 Pulsar 系列超高速壓力機(jī)以及日本會(huì) 田公司引進(jìn)瑞士布魯?shù)吕展炯夹g(shù)生產(chǎn) AIDA-BRUDERER 系列 BSTA 型高速壓力機(jī)和 PDAL 系列高速壓力機(jī)也均采用了上傳動(dòng)方式，不但提高了動(dòng)態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲 78。 隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的革新，壓力機(jī)的品種越來越多，質(zhì)量越來越好，壓力越來越大，精度也越來越高。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機(jī)的主要國(guó)家都是傳統(tǒng)的制造強(qiáng)國(guó)，其中以日本、美國(guó)和德國(guó)為主?，F(xiàn)在和日本、德國(guó)并稱為世界三大高速壓力機(jī)生產(chǎn)基地 69。 世界上已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)生產(chǎn)出最大壓下能力為 60000KN 的單動(dòng)壓力機(jī)、最大 壓下能力為 32000KN 的雙刀壓力機(jī)以及最大壓下能力為 85000KN 的多工位壓力機(jī) 10。 國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)是上世紀(jì) 80 年代開始從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來的。目前，生產(chǎn)高速壓力機(jī)的主要廠家有上海第二鍛壓機(jī)床廠、廈門鍛壓機(jī)床有限公司、諸城鍛壓機(jī)床股份有限公司、寧波機(jī)床廠和江蘇揚(yáng)力集團(tuán)等。我國(guó)第一臺(tái)高速壓力機(jī)是在 1982 年由 - 3 - 濟(jì)南鑄鍛機(jī)械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機(jī)公稱力為 600KN，最高的速度可達(dá)到 400 次 /min。隨后又成功研制了公稱力 300KN，最高速度 600 次 /min 的高速精密壓力機(jī)?？缛?21 世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)企業(yè)中徐州鍛壓機(jī)床廠的高速?zèng)_床生產(chǎn)開始形成規(guī)模，先后研制成功了 JF75G 系列閉式高速壓力機(jī)和 V H45 開式高速精密沖床，其沖壓速度分別達(dá)到 600 次 /min 和 1200 次 /min11。目前，由于國(guó)內(nèi)材料技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在差距，國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)的發(fā)展也受到了相應(yīng)的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機(jī)的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領(lǐng)域內(nèi)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力；國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制與補(bǔ)償技術(shù)還未較好的應(yīng)用于高速壓力機(jī)中，使國(guó)內(nèi)產(chǎn)品精度相對(duì)先進(jìn)技術(shù)較低 ；由于國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)產(chǎn)品主要通過引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國(guó)內(nèi)壓力機(jī)品種和規(guī)格較為單一 121314。 1.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 有限元的的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假象的離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程進(jìn)度的近似結(jié)果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。有限元的創(chuàng)立與科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)界需求相關(guān)。 1953 年， Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機(jī)翼 振動(dòng)時(shí)，將機(jī)翼分成很多片小三角形板，計(jì)算的機(jī)翼結(jié)構(gòu)撓度與小比例模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合是有限元的雛形。 1955 年， John H. Argyris 提出矩形單元。 1956 年，第一篇有限元文章發(fā)表，正式拉開了有限元發(fā)展的歷史 15。自從 1965 年 “有限元 ”這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元方法在工程上得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)經(jīng)歷了四十年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途徑， 現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)如下幾方面：增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間；模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)161718。 隨著電子計(jì)算機(jī)速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越來越廣泛地被人們所接受 ,人們 不必再在編寫程序上花費(fèi)大量的精力。不僅如此 ,商品化有限元程序的發(fā)展 ,還使用戶能夠擺脫手工網(wǎng)格劃分、逐點(diǎn)輸入結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元聯(lián)接信息 ,而且通過屏幕菜單方式 ,得到了良好的人機(jī)對(duì)話環(huán)境和在計(jì)算結(jié)果分析上鮮明的視覺效果。目前的商品化有限元程序一般分為 3個(gè)部分 ,即前處理部分、處理部分和后處理部分。它們通過互交式計(jì)算機(jī)圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 19。 - 4 - 有限元方法的一些發(fā)展趨勢(shì) 20： （ 1） 與 CAD 軟件的無縫集成 （ 2） 更強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力 （ 3） 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 （ 4） 由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題求解 （ 5） 程序面向用戶具有開放性 1.3 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分 工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可 以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 參考文獻(xiàn) 1 朱森第 .我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升 R.開發(fā)研究 ， 2009(1)： 6-11 2 肖燕 .信息化為現(xiàn)代制造業(yè)驅(qū)動(dòng)未來 J.世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng) ， 2011(2)： 99-104 3 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機(jī)機(jī)身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ， 2011， 11(1) 4 張進(jìn) .多連桿機(jī)械式壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)分析研究 D.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2012 5 劉運(yùn)璽 .HD-200 高速壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真及其機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化 D.山東 ： 山東大學(xué)， 2013 6 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機(jī)機(jī)身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ， 2011， 11(1) 7 陳正中 .高速精密壓力機(jī)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì) J.鍛壓機(jī)械， 1998， 32(5)： 8-9 8 張寶瑋 .中國(guó)鍛壓技術(shù)及裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展 J.機(jī)械工人（熱加工） ， 2003， 53(4)： 41-43 9 蔣舒 .高速精密壓力機(jī)精度分析與試驗(yàn)研究 .D.江蘇 ： 東南大學(xué) ， 2010 10 周曉平 .板沖壓力機(jī)及其自動(dòng)沖壓線 J.一重技 術(shù) ， 1993(4)： 69-74 11 管培鵬 .高速壓力機(jī)多體動(dòng)力學(xué)研究及仿真 D.南京：南京航空航天大學(xué)， 2012 - 5 - 12 王磊 .高速壓力機(jī)的精度分析與研究 .D.江蘇 ： 東南大學(xué) ， 2007 13 黃才元 ， 宋志強(qiáng) .中國(guó)鍛壓機(jī)床的現(xiàn)在和未來 J.鍛壓裝備與制造技術(shù) .2006， 2， 12-17 14 趙升噸 ， 張學(xué)來 ， 高長(zhǎng)宇等 .高速壓力機(jī)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) J.鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)， 2005， (1). 15 王華瑜，初克建 .土木工程有限元程序現(xiàn)狀與發(fā)展 R.山東：山東省龍口市金泰規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司；北京天圓泰工程造價(jià)咨詢有限公司， 2011 16 傅永華 .有限元分析基礎(chǔ) M.武漢 ： 武漢大學(xué)出版社 ， 2003.8 17 李人憲 .有限元法基礎(chǔ) M.北京 ： 國(guó)防工業(yè)出版社 ， 2002.5 18 楊先海 ， 褚金奎 ， 尹明富等 .有限元數(shù)值模擬技術(shù)及工程應(yīng)用 J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 ，2003(3)： 107-108 19 張晉紅 ， 吳風(fēng)林 .有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀 D.山西：太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ， 2003 20 蔣晨 .基于有限元技術(shù)的板材加工機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析 D.南京：東南大學(xué)， 2005 - 6 - 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 2、本課題要研究或解決的問題和 擬采用的研究手段（途徑）： 2.1 課題的來源 本課題來源于江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機(jī) 是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì) J75G-200 閉式高速壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ， 為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能，質(zhì)量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)，增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 2.2 課題分析（研究或解決的問題） 運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì) J75G-200 閉式高速壓力機(jī) 進(jìn)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用靜態(tài) 有限元分析，校核液壓機(jī)機(jī)身部件的強(qiáng)度和剛度，并且根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。模態(tài)分析可以求出機(jī)身振動(dòng)的固有頻率以及相應(yīng)的振型，分析各種振型對(duì)壓力機(jī)工作狀態(tài)的影響。這對(duì)于了解液壓機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及進(jìn)而改善其結(jié)構(gòu)有重要的意義，為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。主要任務(wù)以及要解決的問題是： （ 1） 對(duì) J75G-200 型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模； （ 2） 了解 J75G-200 型壓力機(jī)工作性質(zhì)和工作狀態(tài)；對(duì)其進(jìn)行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案 ； （ 3） 劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限 元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響； （ 4） 對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，求解機(jī)身固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響 ； （ 5） 根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域采取措施改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，改變相關(guān)尺寸變量，以達(dá)到減輕部件總體質(zhì)量的目的。重新進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)改變尺寸后的剛度和強(qiáng)度。重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直到獲取最佳方案。 2.3 方案定制 （ 1） 先熟悉和了解 Solidwords 軟件和 ANSYS 軟件； （ 2） 在 Solidwords 里畫出 J75G-200 閉式高速壓力機(jī) 的三維模型； （ 3） 將高速壓力機(jī)的模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件； （ 4） 添加材料特性：機(jī)底是 QT600-3，密度 =7120 /m3； 橫梁 HT300， 密度 =7300 /m3 （ 5） 對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，遵循 “ 均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃 ” 原則 ； （ 6） 對(duì)模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； - 7 - （ 7） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行加載：設(shè)備在工作時(shí)承受兩個(gè)相反方向的載荷，機(jī)身所受載荷簡(jiǎn)化為對(duì)機(jī)身的兩個(gè)方向的均布載荷； （ 8） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析； （ 9） 分析壓力 機(jī)在加載情況下機(jī)身變形情況以及應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律； （ 10） 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析優(yōu)化，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響，從而選擇合適的機(jī)身尺寸和材料厚度，盡量減輕機(jī)身的重量； （ 11） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到機(jī)身結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作的狀況的影響； （ 12） 通過分析結(jié)果，改善應(yīng)力狀況和改變相關(guān)尺寸變量，以減輕總體質(zhì)量，然后進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)剛度和強(qiáng)度，依次重復(fù)以上步驟，直至取得最佳方案。 - 8 - 方案定制框圖 課題分析對(duì)所做工作進(jìn)行總結(jié)、分析、做 PPT,準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 。 尋找相關(guān)資料，如文獻(xiàn)，圖紙尺寸等 進(jìn)行三維