MP160型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化 設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其 自動(dòng)化 班 級(jí) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 MP160 型 雙主機(jī)大梁沖機(jī)身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) I 中文摘要 壓力機(jī)是生產(chǎn)大型模鍛件的 重要加工設(shè)備 。本文以 MP160 壓力機(jī)機(jī)身為研究對(duì)象 ， 利用有限元分析軟 ANSYS, 在壓力機(jī)機(jī)架滿足足夠的 應(yīng)力 條件下， 進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，增強(qiáng)企業(yè)競爭力 具有重要意義 。為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和壽命降低產(chǎn)成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)從而能夠增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場的競爭力。其主要內(nèi)容如下： 1、對(duì) MP160 型 壓力機(jī)機(jī)身 進(jìn)行三維實(shí)體建模； 2、了解 MP160 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； 4、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； 5、對(duì) 機(jī)身 模型進(jìn)行模態(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。 最后對(duì)論文的研究內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞： MP160,有限元 ,ANSYS 軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì) II Abstract The press is an important processing equipment for the production of large forgings. In this paper, MP160 press frame as the research object, using finite element analysis software ANSYS, optimization in the press frame satisfy the stress conditions, adequate, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. In order to improve the performance, quality and service life of press products reduce costs and provide scientific analysis basis so as to enhance the competitiveness of its products in the market. The main contents are as follows： 1. for the 3D solid modeling of MP160 press frame; 2. understanding of MP160 press the nature of the work and work state; analysis of the work load, boundary conditions and loading scheme; 3. mesh, static finite element analysis, the stress and strain distribution of the fuselage ; 4. according to the analysis results, the stress concentration risk areas to take measures to improve the stress condition; in the low stress area, changing the size variables, in order to reduce the overall quality of components of the objective. Re for finite element analysis, test after changing the size of stiffness and strength. The above steps are repeated, until obtaining the best scheme. 5. the free modal analysis on the model, solving the natural frequencies and corresponding vibration modes of dynamic parameters, and analyzes its influence on the working condition of the. Finally, the research contents of this paper is summarized and prospected. Keywords:MP160 ， finite element analysis ， ANSYS， optimization design III 目錄 中文摘要 . I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀 . 1 1.2 有限元法的介紹 . 2 1.3 ANSYS 軟件的介紹 . 3 1.4 本課題來源及研究的目的和意義 . 4 1.4.1 課題來源 . 4 1.4.2 研究的目的和意義 . 4 1.4.3 本課題需要研究的內(nèi)容和要解決的問題 . 5 第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 . 7 2.1 機(jī)身簡介 . 7 2.2 有限元模型的建立 . 7 2.2.1 單元類型的選取 . 8 2.2.2 添加材料常數(shù) . 8 2.2.3 網(wǎng)格的劃分 . 8 2.2.4 邊界條件的施加 . 9 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 . 11 2.3.1 應(yīng)力和變形要求 . 11 2.3.2 應(yīng)力圖形顯示 . 12 2.3.3 變形圖顯示 . 12 2.3.4 應(yīng)力分析 . 15 2.3.5 變形分析 . 15 2.3.6 討論 . 16 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 . 17 IV 3.1 優(yōu)化分析 . 17 3.2 優(yōu)化方案： . 17 3.2.1 優(yōu)化方案一 : . 17 3.2.2 優(yōu)化方案二： . 20 3.2.3 優(yōu)化方案三： . 24 第四章 機(jī)身模態(tài)分析 . 28 4.1 模態(tài)分析概述 . 28 4.2 機(jī)身的模態(tài)分析結(jié)果 . 29 4.2.1 機(jī)身自由模態(tài)圖 . 29 4.2.3 機(jī)身約束模態(tài)圖 . 33 第五章 結(jié)果 . 38 5.1 計(jì)算結(jié)果分析 . 38 5.2 對(duì)應(yīng)力以及變形進(jìn)行綜合優(yōu)化分析后所得的結(jié)論 . 38 第六章 結(jié)論與展望 . 40 6.1 結(jié)論 . 40 6.2 展望 . 40 致謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 1.1 壓力機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀 壓力機(jī)以其良好的加工工藝性能， 廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械加工和耐火材料制造企業(yè) 1。其中液壓機(jī)是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一。自 19 世界問世以來發(fā)展很快，已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備之一。 壓力機(jī)在鍛壓設(shè)備中起重要作用，早期人們對(duì)機(jī)身的研究是采用材料力學(xué)的方法，計(jì)算出設(shè)備在公稱壓力下危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和機(jī)身的最大變形， 將機(jī)身簡化成材料力學(xué)中的桿件或桿件組合，其計(jì)算結(jié)果是非常粗糙的，很難說明問題。設(shè)計(jì)者為了保險(xiǎn)，往往加大安全系數(shù)，結(jié)果使得設(shè)備非常笨重，既增加了成本，又浪費(fèi)了原材料 2- 4。 如今， 采用有限元分析軟件 ANSYS可以對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分 析 5.它通過確定多自由度系統(tǒng)的固有頻率、固有振型、模擬質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等模態(tài)參數(shù)，可以預(yù)測工況下的振動(dòng)情況，便于找出過大的振動(dòng)、過高的噪聲等一些不正常的響應(yīng)。通過模態(tài)分析可以找出有害振型和危險(xiǎn)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置 6,由此指導(dǎo)改進(jìn)系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)，改善其動(dòng)態(tài)特性，使之滿足動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度的要求。夏敏，向華，庒新村認(rèn)為伺服壓力機(jī)作為新一代的成形設(shè)備在板料成形領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，正日益發(fā)揮重要作用。它解決了傳統(tǒng)壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)特性單一、壓力不易控制、工藝適應(yīng)性較差的問題，不僅適用于典型的板料成形工藝，而且 滿足了日趨復(fù)雜的板料成形新工藝的需要。但是伺服壓力機(jī)主要賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，缺乏相關(guān)理論的指導(dǎo)，以及其成本較大 7。謝鵬認(rèn)為交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)可大大提高設(shè)備的自動(dòng)化、智能化水平，改善壓力機(jī)的工作特性，是新一代成形設(shè)備的發(fā)展方向。國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入研制使用階段，而目前國內(nèi)這一技術(shù)尚比較落后 8。陽林、潘曉濤指出國外數(shù)控壓力機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入普及和成熟的階段。美國在 1978 年至 1983 年間共產(chǎn)生數(shù)控壓力機(jī)約六萬臺(tái)，相當(dāng)于美國全部壓力機(jī)總數(shù)的 20%左右 9。 在國內(nèi)，數(shù)控壓力機(jī)的研制工作起步較晚， 水平也較低。金風(fēng)明、竇志平、韓新民等人認(rèn)為我國壓力機(jī)制造自 80 年代開始，通過技術(shù)引進(jìn)，合作制造和自主創(chuàng)新等模式積極吸收、消化國外機(jī)械壓力機(jī)先進(jìn)設(shè)計(jì)及其制造技術(shù)，目前已經(jīng)完全掌握機(jī)械壓力機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。如今，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，對(duì)高精度、高效率的大型伺服壓力機(jī)的需求不斷增加。伺服壓力機(jī)的發(fā)展將會(huì)朝著柔性化、智能化、 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 2 節(jié)能性好、精度高的方向發(fā)展 10 。 1962 年 6 月我國實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)了第一臺(tái) 12000 噸水壓機(jī)，主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是機(jī)身的強(qiáng)度與剛度，由于受力情況較復(fù)雜，在當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)水平只能采用近似法，即按照簡支梁的負(fù) 荷進(jìn)行核算 。張祖芳等對(duì)開式壓力計(jì)機(jī)身進(jìn)行三維有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行機(jī)身的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化，既提高了機(jī)身強(qiáng)度、剛度和角度剛，又減輕了機(jī)身重量 。王俊領(lǐng)等通過對(duì)軋機(jī)機(jī)架的有限元分析，找出了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，確定了極限安全系數(shù)的問題 。史寶軍等分析了開式壓力機(jī)床身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后介紹了應(yīng)用有限元法對(duì)開式壓力機(jī)機(jī)床身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后介紹了應(yīng)用有限元法對(duì)開式壓力機(jī)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)的力學(xué)模型簡化方法，并結(jié)合若干工程實(shí)例，對(duì)開式壓力機(jī)床具進(jìn)行了有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)選，取得了既減輕床具重量、又提高強(qiáng)度和剛度的顯著效果，為 結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了可靠的理論依據(jù)。 國外對(duì)壓力機(jī)的機(jī)身也有大量的研究，德國的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了機(jī)械壓力機(jī)的三種不同復(fù)雜程度的工程模型，并通過實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證模型的參數(shù)，從而對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 11。丹麥的 M.Arentoft， M.Eriksen 和T.Wanheheim 設(shè)計(jì)了一種壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)來確定壓力機(jī)的六個(gè)剛度，從而為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了有益的幫助 12。顯示器可以顯示出壓力機(jī)的壓制次數(shù)、每次的壓制壓力、油漏、循環(huán)周期等十多個(gè)參數(shù) 13。 1.2 有限元法的介紹 有限元法是計(jì)算力學(xué)中的一種重要的方法，它是 20 世紀(jì) 50 年代末 60 年代初興起的應(yīng)用教學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)。有限元發(fā)展至今，已由二維問題擴(kuò)展到三維問題、板殼問題，由靜力學(xué)問題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問題、穩(wěn)定性問題，由結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展到流體，力學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，由線性問題擴(kuò)展到非線性問題，由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性。塑性、黏塑性和復(fù)合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到航天、土木建筑、機(jī)械制造、水利工程、造船、電子技術(shù)及原子能等。由單一物理場的求解擴(kuò)展到多物理場的耦合，其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大 地拓展。 有限元法的基本思路是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn) ,將微分方程中的變量改寫成由各變量或 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式 ,借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。 1.3 ANSYS 軟件的介紹 ANSYS 是一款以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE 軟件 ,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一，該軟件是由美國 ANSYS 公司研制開發(fā)的融結(jié)構(gòu)、流 體、熱、聲、電磁等學(xué)科于一體的大型通用有限元分析軟件 14。 在 ISO9001 國際質(zhì)量體系認(rèn)證中， ANSYS 軟件是第一個(gè)通過認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件。它對(duì)包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解、后處理 、優(yōu)化設(shè)計(jì)等在內(nèi)的模塊都具有一體化的處理技術(shù) 15 。ANSYS 中的 Structral 模塊提供了完整的結(jié)構(gòu)分析功能，包括幾何非線性材料非線性各種動(dòng)力分析等計(jì)算能力，此程序包在結(jié)構(gòu)分析方面具有強(qiáng)大的功能。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常會(huì)遇到各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析問題：如機(jī)械結(jié)構(gòu)受力，變形及內(nèi)部應(yīng)力情況等等利用 ANSYS 軟件對(duì)機(jī)械模進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，通過應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D直觀展示構(gòu)件的性能特點(diǎn)，從而為解決機(jī)械結(jié) 構(gòu)中常見的問題提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是由設(shè)計(jì)者提供幾個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案，從中比較，挑選出最優(yōu)的方案。這種方法，往往是建立在設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再加上資源時(shí)間的限制，提供的可選方案個(gè)數(shù)有限，往往不一定是最優(yōu)的方案。如想獲得最佳的方案，就要提供更多的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，這就需要大量的資源，單靠人力往往難以做到 16。將 ANSYS 用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)仿真分析的結(jié)果進(jìn)一步了解機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，主動(dòng)地尋求最佳設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為合理，從而有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能 17。 一個(gè)典型的 ANSYS 分析過程可分為以下三個(gè)步驟：（ 1）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何模型；定義材料屬性；劃分單元（節(jié)點(diǎn)及單元）；（ 2）施加載荷進(jìn)行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；（ 3）查看結(jié)果。包括查看分析結(jié)果；檢驗(yàn)分析是否正確。壓力機(jī)的可靠性、安全性、加工精度和使用壽命等是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床運(yùn)行應(yīng)考慮的主要問題，基于此，利用 solidworks 和 ANSYS 軟件對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)應(yīng)分析，通過分析得出壓力機(jī)的靜剛度、前六階振型及固有頻率，為評(píng)價(jià)壓力機(jī)的動(dòng)靜態(tài)特性以及后面的設(shè)計(jì)改造 提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了參考 18 。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 4 1.4 本課題來源及研究的目的和意義 1.4.1 課題來源 本課題來源于江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司， MP160 型壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品，要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù) MP160 型壓力機(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)品的市場的競爭力。該設(shè)備的主要的參數(shù)如下： 型 號(hào) : MP160 公 稱 壓 力 : 1600KN 標(biāo)準(zhǔn)行 程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 機(jī)身材料是 Q235A，密度 =7800kg/m3 許用角變形 =1200 微弧； 該公司以往的壓力機(jī)是利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)方案只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所提出，沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)校核和有限元分析，可能導(dǎo)致剛度、強(qiáng)度的不足、材料多余等問題，本論文結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，借助有限元分析工具對(duì) MP160 壓力機(jī)機(jī)身做有限元分析和優(yōu)化。 1.4.2 研究的目的和意義 課題的目的：利用有限元軟件對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足壓力機(jī)機(jī)身的強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上改善壓力機(jī)的形狀，達(dá)到總體結(jié)構(gòu)輕量化和最優(yōu)化 的目標(biāo)。我國壓力機(jī)的分析水平還不高，長期以來還停留在材料力學(xué)的方法上，將機(jī)身簡化成桿梁結(jié)構(gòu)，許用應(yīng)力大多來自經(jīng)驗(yàn)。對(duì)機(jī)身的有限元分析大多限于靜態(tài)分析，而動(dòng)態(tài)方面研究做得很少。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)床技術(shù)的結(jié)合，使得分析設(shè)計(jì)的內(nèi)容更加完善化、目標(biāo)最優(yōu)化、過程動(dòng)態(tài)化、使機(jī)床加工高速化、加工過程自動(dòng)化和柔性化。 課題的意義：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)的需求越來越多，國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。我國目前壓了機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)長期以來還沿用經(jīng)驗(yàn)、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的床身不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速 度和精度都不高，而且設(shè)計(jì)周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢。這些問題使得國產(chǎn)壓力機(jī)在高檔次壓 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 5 力機(jī)領(lǐng)域無法與國外壓力機(jī)相抗衡，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)床分析技術(shù)的結(jié)合，要求我們引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和手段，利用有限元法進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征的計(jì)算，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身做全面的分析優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)壓力機(jī)的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化方法探索，實(shí)現(xiàn)真正意義上的設(shè)計(jì)。 1.4.3 本課題需要研究的內(nèi)容和要解決的問題 （ 1） 研究的內(nèi)容 本文要求運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS對(duì) MP160型 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)液壓機(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，為液壓機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。主要任務(wù)內(nèi)容有： 1） 對(duì) MP160 型 壓力機(jī)機(jī)身 進(jìn)行三維實(shí)體建模； 2） 了解 MP160 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）技術(shù)要求 1） 要求校核 MP160 型 壓力機(jī)在承載條件下的剛度和強(qiáng)度。 2） 要求在保證液壓機(jī)強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)液 壓機(jī)主要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 3） 分析液壓機(jī)的模態(tài)，并對(duì)液壓機(jī)的工作狀況進(jìn)行評(píng)估。 （ 3）方案定制 1）閱讀圖紙 ，根據(jù)分析對(duì)主板，主墊板，隔板，拖動(dòng)架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)、合理的 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 6 簡化，然后運(yùn)用三維造型軟件 Solid Works，完成三維實(shí)體造型； 2） 熟悉并掌握有限元分析軟件 ANSYS，將所建立的實(shí)體模型導(dǎo)入 ANSYS 中； 3） 了解 MP160 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； 4） 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； 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。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 7 第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 2.1 機(jī)身簡介 機(jī)身是壓力機(jī)的一個(gè)基本支撐部件，工作時(shí)承受全部工作變形力。因此，機(jī)身的合理設(shè)計(jì)對(duì)減輕壓力機(jī)重量，提高壓力機(jī)剛度，以及減少制造工時(shí)，都有直接的影響。機(jī)身分為兩大類，即開式機(jī)身和閉式機(jī)身。機(jī)身結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和 焊接結(jié)構(gòu)兩種。 MP160 壓力機(jī)機(jī)身為半開半閉的焊接加螺栓結(jié)構(gòu)，左右基本對(duì)稱，建構(gòu)簡圖如圖 2.1.1，主要技術(shù)規(guī)格如下： 型 號(hào) : MP160 公 稱 力： 1600KN 標(biāo)準(zhǔn)行程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 圖 2.1 壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)圖 2.2 有限元模型的建立 在進(jìn)行有限元分析之前，首先需要將分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為便于分析的結(jié)構(gòu)分析模型或力學(xué)模型。為保證全面地反映機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)使得有限元模型得到簡化，確定以下建模規(guī)則： 1） 對(duì)于 明顯不會(huì)影響機(jī)身整體強(qiáng)度、剛度的部位，如螺釘孔、銷孔、圓角 等予以簡化； 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 8 2） 認(rèn)為焊接質(zhì)量可靠，且不考慮焊接對(duì)各板傳力的影響； 3） 將導(dǎo)軌看成自由界面，滑塊與導(dǎo)軌之間無力的傳遞； 4） 地腳螺栓剛度無限大、不考慮地基及機(jī)身以外部件彈性變形。 2.2.1 單元類型的選取 用三維實(shí)體單元來描述機(jī)身結(jié)構(gòu)，能反映機(jī)身的實(shí)際情況、在 ANSYS 軟件里，三維實(shí)體單元有六面體單元和四面體單元兩種。由于六面體單元在劃分時(shí)要求結(jié)構(gòu)規(guī)則，而對(duì)于機(jī)身這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行六面體單元的自動(dòng)劃分十分困難。采用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元 劃分比較靈活，可以逼近較復(fù)雜的幾何形狀。因此，本文計(jì)算時(shí)，采用單元 Solid45，該單元為四面體 8 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)移動(dòng)自有度，同時(shí)指定單元邊長，這樣可以得到比較均勻的單元，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 2.2.2 添加材料常數(shù) 選用的機(jī)身材料為 Q235A，彈性模量 E=2.1E11Pa；泊松比 =0.3， Q235A，密度 =7800kg/m3 。 2.2.3 網(wǎng)格的劃分 單元的劃分遵循 “均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃 ”的原則，網(wǎng)格應(yīng)細(xì)劃的位置：喉口圓角處及主墊板，網(wǎng)格應(yīng)粗劃的位置是：左右側(cè)板的絕 大部分及兩側(cè)板間的連接筋板等部位。 一般來說，網(wǎng)格數(shù)量越多越能反映實(shí)體的應(yīng)力應(yīng)變情況，提高計(jì)算的精度，但隨著單元數(shù)的增加，計(jì)算量也越來越大，本文的單元大小為 50mm,細(xì)劃部位采用的單元大小為 40mm,經(jīng)過劃分單元后，共有 136128 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 81431 個(gè)單元。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 圖 2.2 網(wǎng)格圖 2.2.4 邊界條件的施加 （ 1）載荷的施加 載荷的施加是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性。已知該型壓力機(jī)所受最大載荷即公稱力 160KN,設(shè)備在工作時(shí)受到兩個(gè)方向的載荷，一個(gè)是作用在液壓缸的上表面，方向向上；另一個(gè)作 用在工作臺(tái)上，方向向下。兩力大小相等，方向相反。液壓缸上表面和工作臺(tái)上的載荷均是均布載荷。 （ 2） 工作臺(tái)及液壓缸上載荷的處理 工作臺(tái)上的載荷按均布載荷處理，其大小計(jì)算如下： P=F*1.2/A 其中： F公稱壓力； A受力面積； 1920KN 的動(dòng)載荷平均分布在工作臺(tái)上，則 P=1600KN*1.2/（ 0.16*0.16） =75MPa。 缸上的載荷按均布載荷， P=1600KN*1.2/（ *0.1*0.1） =61MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 圖 2.3 工作臺(tái)加載力示意圖 圖 2.4 缸上加載力示意圖 （ 3） 邊界的約束條件 施加邊界約束條件是有限元分析過程的重要一環(huán)，邊界約束條件的準(zhǔn)確度直接 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 11 影響到有限元分析的結(jié)果。在有限元分析中確定邊界條件一般應(yīng)做到以下幾條：要施加足夠的約束，保證模型不產(chǎn)生剛體位移；施加的邊界條件必須符合物理模型的實(shí)際工況；力求簡單直觀，便于計(jì)算分析。 在本文的靜力分析中，對(duì)機(jī)座底部的所有自由度進(jìn)行約束。 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 2.3.1 應(yīng)力和變形要求 （ 1）變形要求： mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2）要求 :材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服。因而在強(qiáng)度分析中采用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論。第三強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力 2 影響，可以較好的表現(xiàn)塑性材料屈服現(xiàn)象，適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。第四強(qiáng)度理論考慮了注意力 2 的影響，而且和實(shí)驗(yàn)較符合，與第三強(qiáng)度理論比較更接近實(shí)際情況。因而在強(qiáng) 度評(píng)價(jià)中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力e（又稱 Von Mises 等效應(yīng)力）來評(píng)價(jià)。 第四強(qiáng)度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料部發(fā)生破壞的條件是： e 許用應(yīng)力， 安全系數(shù) s 而e= )()()(21 213232221 其中： 1 ， 2 ，3第一，第二，第三主應(yīng)力 由前可知，機(jī)身材料為 Q235A， s =235MPa。 考慮到疲勞修正系數(shù)和疲勞修正系數(shù)安全系數(shù)，故安全系數(shù)取 1.5，則 = s /安全系數(shù) =235/1.5=160MPa。 而我們所要的應(yīng)力要求是： 160MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 12 2.3.2 應(yīng)力圖形顯示（單位： MPa，以下相同） 確定上述條件后，運(yùn)用 ANSYS 軟件求解，得出機(jī)身的位移分布圖和等效應(yīng)力分布圖。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖。 圖 2.5 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 2） Von Mises 局部圖 圖 2.6 Von Mises 局 部圖 2.3.3 變形圖顯示 （單位： mm，以下相同） 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 13 1） X 方向變形圖 圖 2.7 X 方向變形圖 2） Y 方向變形圖 圖 2.8 Y 方向變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 14 3） Z 方向變形圖 圖 2.9 Z 方向變形圖 4）總體變形圖 圖 2.10 總體變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 15 2.3.4 應(yīng)力分析 由總應(yīng)力（圖 2-4），可以看出：最大 Von Mises 應(yīng)力為 111 MPa ，發(fā)生在候口處，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該材料的許應(yīng)力。 2.3.5 變形分析 （ 1）候口處的角變形： 角變形 ta n /yuL其中 ： yu為節(jié)點(diǎn) Y 位移； L 為三角形 X 邊長； 由圖 2-14、圖 2-15 可以看出： 角變形（上） =0.57987 3e m/0.6m=0.966 3e 弧 =966urad ； 角變形（下） =0.046139 3e m/0.27m=0.171 3e 弧 =171urad ； 角變形共計(jì) =12=966+171=1137urad =aC aC=0.001gP式中： aC機(jī)身的許用叫剛度， KN/urad ； gP壓力機(jī)公稱力 ， KN。 aC=0.001*1600=1.6 KN/urad （ 3）角剛度計(jì)算aC= 1.2* 610 /gaP 其中aC機(jī)身角剛度， KN/urad ； gP壓力機(jī)公稱力， KN； a機(jī)身的角變形 ， rad。 aC=(1.2*1600* 610 )/(1137* 610 )=1.69 KN/urad 1.6。 （ 3）沿 X 方向最大變形 0.623mm 在油缸處，工作臺(tái)沿 X 方向變形為 0.037mm。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 16 沿 Y 方向最大變形 0.612mm 在油缸處，工作臺(tái)沿 Y 方向變形為 0.0187mm。 沿 Z 方向最大變形 0.0514mm，在右側(cè)板候口處 ,工作臺(tái)沿 Z 方向變形為 0.00595mm。 位移最大值在液壓缸和候口處為 0.775，最小值在工作臺(tái)處為 0mm。 2.3.6 討論 機(jī)身與墊板連接處直接承壓情況 圖 2.11 機(jī)身與墊板連接處 Von Mises 應(yīng)力等值線放大圖 如圖所示，壓力機(jī)最大應(yīng)力出現(xiàn)在候口處，即 :最大 Von Mises 應(yīng)力值為 111 MPa ，候口優(yōu)先優(yōu)化設(shè)計(jì)。而機(jī)身和墊板連接處最大 Von Mises 值為 98MPa 。最大變形在候口和液壓缸處，著重考慮候口處的角變形。 所以優(yōu)化設(shè)計(jì)要圍繞候口處展開。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 17 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 3.1 優(yōu)化分析 通常，一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，往往是綜合各種因素，提出一種初始方案，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，使其滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性和壽命等要求的預(yù)期目標(biāo)，然后反復(fù)修改方案，使其具有較好的使用性能，并力求節(jié)省材料和能源，經(jīng)濟(jì)而具有競爭力。 機(jī)身的優(yōu)化原則是：通過改變機(jī)身板的厚度，應(yīng)用 ANSYS 計(jì)算出機(jī)身最大應(yīng)力，并滿足應(yīng)力和變形要求：應(yīng)力： 160MPa。 變形要求： x1mm y1mm z1mm。 3.2 優(yōu)化方案： 3.2.1 優(yōu)化方案一 : 為了減少材料，在原來方案的基礎(chǔ)上將主板厚度減少 20mm。 1） 機(jī)身幾何模型圖 圖 3.1 機(jī)身幾何模型圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 18 2） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.2 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 3） X 方向位移變形圖 圖 3.3 X 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 19 4） Y 方向位移變形圖 圖 3.4 Y 方向位移變形圖 5） Z 方向位移變形圖 圖 3.5 Z 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 20 6）總體變 形圖 圖 3.6 總體變形圖 1） 從結(jié)構(gòu)在 Y 方向的全場應(yīng)力等值線圖（圖 3-3）：最大應(yīng)力為 132.76MPa，主要分布在候口處，大于許用應(yīng)力。兩側(cè)板應(yīng)力不大。從第四強(qiáng)度理論 Von Mises（圖 3-3）應(yīng)力等值線圖可以看出，主板應(yīng)力區(qū)域最大應(yīng)力為 132MPa,出現(xiàn)在侯口處。 2） 從結(jié)構(gòu)在 Y 方向的位移等值線圖（圖 3-4）可以看出：最大正變形為 0.60291mm， 在液壓缸處，最小負(fù)變形為 0.18732mm，小于 1mm?？偽灰疲▓D 3-6）可以看出最大變形為 0.81344mm，小于 1mm。 靜態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功。 3.2.2 優(yōu)化方案二： 在二方案的基礎(chǔ)上，在候口處左右加外輪廓，輪廓厚度為 20mm，具體圖形如圖（ 3.7）所示。 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 21 1）機(jī)身幾何模型 圖 3.7 機(jī)身幾何模型 2） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.8 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 22 3） X 方向位移變形圖 圖 3.9 X 方向位移變形圖 4） Y 方向位移變形圖 圖 3.10 Y 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 23 5） Z 方向位移變形圖 圖 3.11 Z 方向位移變形圖 6）總體變形圖 圖 3.12 總體變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 24 從結(jié)構(gòu)在 Y 方向的全場應(yīng)力等值線圖（圖 3.8）可以 看出：最大應(yīng)力為 129pa 左右，主要分布在候口處，小于許用應(yīng)力。兩側(cè)板應(yīng)力不大。 從結(jié)構(gòu)在 Y 方向的位移等值線圖（圖 3.10）可以看出：最大正變形為 0.58141mm，在液壓缸處，最小負(fù)變形為 0.18217mm，小于 1mm?？偽灰疲▓D 3.12）可以看出最大變形為 0.78587mm，小于 1mm。 靜態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成功。 3.2.3 優(yōu)化方案三： 在第二步優(yōu)化的基礎(chǔ)上加加強(qiáng)筋，把兩側(cè)主板切除一部分。 1）機(jī)身幾何模型 圖 3.13 機(jī)身幾何模型 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 25 2） X 方向位移變形圖 圖 3.14 X 方向位移 變形圖 3） Y 方向位移變形圖 圖 3.15 Y 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 26 4） Z 方向位移變形圖 圖 3.16 Z 方向位移變形圖 5） 總體位移變形圖 圖 3.17 總體位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 27 6） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.18 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 1）結(jié)構(gòu)在 Y 方向全場應(yīng)力等值線圖（圖 3.18）可以看出：最大應(yīng)力為 132M