壓磚機(jī)的有限元分析

1、xx學(xué)院設(shè)計(jì)說明書課 題： 壓磚機(jī)的有限元分析 子課題: 同課題學(xué)生姓名: 專 業(yè) 學(xué)生姓名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 第1章 緒論1.1 課題研究背景液壓壓磚機(jī)是陶瓷工業(yè)中用于墻地磚壓制成形的必不可少的機(jī)械設(shè)備。目前我國在實(shí)際生產(chǎn)中采用的壓磚機(jī)類型主要有鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)、開式液壓壓磚機(jī)、閉式液壓壓磚機(jī)等類型，但工作時(shí)都普遍存在壓磚機(jī)變形較大，剛性較差，而壓磚機(jī)的強(qiáng)度、剛度將直接影響到零件加工精度、壓磚機(jī)導(dǎo)軌的磨損和模具的壽命等。因此如何優(yōu)化壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)，提高壓磚機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能降低壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，對(duì)于液壓壓磚機(jī)的設(shè)計(jì)尤為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓磚機(jī)正向大噸位、高

2、精度和高速度發(fā)展。要保證這些大噸位、高精度和壓磚機(jī)的正常工作，首先應(yīng)該在設(shè)計(jì)壓力機(jī)壓磚機(jī)時(shí)必須保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)考慮工作時(shí)的壓力機(jī)的振動(dòng)情況。目前我國壓力機(jī)壓磚機(jī)的設(shè)計(jì)至今大多沿用經(jīng)驗(yàn)、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的壓磚機(jī)不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速度、精度提不高，而且設(shè)計(jì)周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，國產(chǎn)高檔次的壓力機(jī)領(lǐng)與國外壓力機(jī)相比存在很大的差距。隨著中國加入wto，中國的制造企業(yè)的形勢(shì)將變得更加嚴(yán)峻，并面臨更為強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，為此，中國的壓力機(jī)制造企業(yè)必須改變?cè)械膫鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造手段作為技術(shù)支撐，來提高我國壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平，在新的市場(chǎng)環(huán)境中積極參與競(jìng)爭(zhēng)。隨著

3、cad/cam/cae技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，有限元方法等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法己為工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員廣為認(rèn)識(shí)和發(fā)展，在壓磚機(jī)設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。1.2 國內(nèi)外全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國外全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的發(fā)展世界各國生產(chǎn)陶瓷磚除了塑性法、注漿法成型坯體之外，只要是采用顆粒狀粉料壓力成型工藝的基本上都是走過手工錘打半機(jī)械化的摩擦壓力錘機(jī)械式壓力機(jī)摩擦液壓機(jī)成型全自動(dòng)液壓機(jī)成型的道路。因此，當(dāng)今各地企業(yè)選用的自動(dòng)液壓壓磚機(jī)其實(shí)是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的應(yīng)用，是目前最普遍最先進(jìn)的方法，但不是唯一的方法。世界上對(duì)陶瓷墻地磚制品與專用裝備開發(fā)比較早又長期堅(jiān)持下來的國家，首

4、推意大利，其次是德國、美國。1983年佛山引進(jìn)投產(chǎn)的生產(chǎn)線配用的是臺(tái)2000型摩擦液壓壓磚機(jī)，此機(jī)的實(shí)質(zhì)還是摩擦錘，液壓機(jī)構(gòu)作為操作手段。之后，引進(jìn)薩克米公司的500、550、600、1000型，西蒂公司的800、1200型，德國萊斯公司的600、1100、1500型等等，在上世紀(jì)的80年代末90年代初，才真正出現(xiàn)以液壓機(jī)構(gòu)為主的液壓壓磚機(jī)，級(jí)別上屬于中小型機(jī)。中國在1995年之后，出現(xiàn)生產(chǎn)制作500毫米500毫米至1000毫米1000毫米大規(guī)格磚的趨勢(shì)，為此，娜塞堤等公司才研發(fā)了5000噸級(jí)的大型壓磚機(jī)并首先進(jìn)入中國市場(chǎng)。1999年，世界最大的7200噸壓磚機(jī)進(jìn)入中國市場(chǎng)。由此可知，意大利、

5、德國、日本生產(chǎn)制造全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的歷史是1520年的事情。這些國家產(chǎn)品的共同點(diǎn)都是以液壓機(jī)構(gòu)為工作機(jī)構(gòu)，引入當(dāng)代的科技成果，逐步完善，最終走向機(jī)電液一體化的高技術(shù)裝備。但他們又都保持著企業(yè)的特點(diǎn)，如在液壓油路的設(shè)計(jì)、控制顯示手段、機(jī)架結(jié)構(gòu)、布料系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。國外的壓磚機(jī)企業(yè)緊跟行業(yè)終端產(chǎn)品而開發(fā)，緊跟社會(huì)的新科技不斷提高，不輕易放棄自己的特色等做法應(yīng)對(duì)中國壓磚機(jī)的研制有重要的借鑒作用。1.2.2 國內(nèi)全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的發(fā)展我國由國家主管部門立項(xiàng)、自主研究取得成果，并一直影響堅(jiān)持到今天的現(xiàn)代化全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的研制應(yīng)從1986年開始算起。由原國家建材局立項(xiàng)，咸陽陶瓷研究設(shè)計(jì)院牽頭，華南理工大學(xué)、

6、佛山陶機(jī)總廠聯(lián)合研制的600型機(jī)于1989年通過鑒定，1993年之后，逐步形成批量生產(chǎn)。力泰公司以此機(jī)型延伸形成系列化產(chǎn)品，由600噸至7200噸級(jí)，直至今天許多型號(hào)仍是國內(nèi)市場(chǎng)銷售的主要機(jī)型。上世紀(jì)90年代，福建海源企業(yè)以其充沛的開發(fā)能力，引入新技術(shù)，最早突破千噸級(jí)以上壓磚機(jī)的研制開發(fā)并率先通過國家級(jí)鑒定，也先后成功推出超千噸系列產(chǎn)品投放國內(nèi)市場(chǎng)。1999年，廣東科達(dá)機(jī)電公司一舉成功推出3200噸級(jí)壓磚機(jī)并通過國家級(jí)鑒定，開創(chuàng)中國設(shè)計(jì)生產(chǎn)大型壓磚機(jī)的年代，而發(fā)展到現(xiàn)在更是出現(xiàn)了7800噸的壓機(jī)。因此中國對(duì)現(xiàn)代壓磚機(jī)的研制開發(fā)是前后近20年的事，形成了由“力泰”、“海源”、“科達(dá)”家能生產(chǎn)大型

7、壓機(jī)的企業(yè)作為龍頭，另有十幾家生產(chǎn)中小型壓磚機(jī)的企業(yè)并存局面。估計(jì)不久的將來，還會(huì)出臺(tái)超萬噸級(jí)的壓磚機(jī)，滿足高效生產(chǎn)超大規(guī)格尺寸磚的需求1。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容與技術(shù)方案本課題基于有限元分析軟件ansys workbench和pro/mechanica平臺(tái)，對(duì)wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)關(guān)鍵零、部件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。技術(shù)方案流程圖，如圖1.1所示。具體的方案如下：研究wl1700型全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)、模型特點(diǎn)基于有限元分析軟件ansys workbe和pro/mechanica平臺(tái)，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析關(guān)鍵零、部件pro/e模型有限元分析結(jié)果評(píng)價(jià)圖1.1技術(shù)方案流程圖（1）

8、研究wl1700型全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，和模型特點(diǎn)，為分析提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)；（2）利用有限元方法對(duì)壓磚機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，分析出它的振動(dòng)特性，找出振動(dòng)中危險(xiǎn)的位置；（3）存在最大靜載荷時(shí)，對(duì)機(jī)架、活動(dòng)橫梁進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形位移的分布規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度較核；（4）基于活動(dòng)橫梁的模態(tài)分析，對(duì)活動(dòng)橫梁動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，找出應(yīng)力最集中的部位應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律；（5）對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行疲勞分析，找出疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞破壞、安全系數(shù)、疲勞靈敏性。分析出活動(dòng)橫梁能不能達(dá)到疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)的要求；（6）在活動(dòng)橫梁靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，找出活動(dòng)橫梁能夠去除材

9、料的部位，為活動(dòng)橫梁的質(zhì)量優(yōu)化提供參考；（7）綜合以上的分析結(jié)果，對(duì)壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)提出相關(guān)的修改方案，以使液壓壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)趨于合理達(dá)到優(yōu)化的目的。第2章 壓磚機(jī)有限元分析的理論基礎(chǔ)2.1 全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的工作原理、基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1.1 全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的工作原理 全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的工作原理其實(shí)可以簡(jiǎn)化說明為液壓機(jī)的工作原理1。液壓機(jī)是利用液壓壓力能來傳遞能量，以實(shí)現(xiàn)各種壓力加工工藝的機(jī)器。液壓機(jī)根據(jù)帕斯卡原理制成。1小柱塞，在力f1=4p/d12作用下，將經(jīng)過連接管道等值傳至大柱塞或活塞2上，使磚坯3受到作用力f2=d12p/4，所以可得f2=f1（d2/d1），由于d2d1,則f2f

10、1。由此可知，全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)就是利用在小柱塞上的較小作用力f1，可以在大柱塞上產(chǎn)生很大的作用力 f2 ，其工作原理圖2.1所示。 圖2.1 全自動(dòng)液壓壓機(jī)工作原理圖1-小柱塞 2-大柱塞 3-坯體 2.1.2 全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的基本參數(shù) 基本參數(shù)是全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的基本技術(shù)數(shù)據(jù)，是根據(jù)液壓機(jī)的工藝用途及結(jié)構(gòu)類型來確定的，它反映了它的工作能力及特點(diǎn)，也基本上定下了它的輪廓尺寸及本體總重。另外，基本參數(shù)也是用戶選購時(shí)的主要數(shù)據(jù)1。全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的基本參數(shù)有以下內(nèi)容：（1）公稱壓力：指液壓機(jī)名義上能產(chǎn)生的最大力量，它反映了液壓機(jī)的主要工作能力；（2）最大凈空距：指活動(dòng)橫梁停在上限位時(shí)，從工作臺(tái)上

11、表面到活動(dòng)橫梁下表面的距離，它反映了液壓機(jī)在高度方向上工作空間的大??；（3）最大行程：指活動(dòng)橫梁能夠移動(dòng)的最大距離，應(yīng)根據(jù)工件成型過程中所要求的最大工作行程來確定，它直接影響工作缸和回程缸及其柱塞的長度及整個(gè)機(jī)架的高度；（4）工作臺(tái)尺寸：指工作臺(tái)面上可以利用的有效尺寸，它取決于模具的平面尺寸及工藝過程的安排；（5）回程力：滑塊返程時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力；（6）活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)速度：分為工作行程速度、空行程速度及回程速度；（7）允許最大偏心距：指工件變形阻力接近公稱壓力所允許的最大偏心值。本課題中分析的wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2.1表2.1 wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

12、壓機(jī)技術(shù)性能單位數(shù)值公稱壓制力kn17000模芯頂出力kn210最大行程mm140立柱間距mm1700活動(dòng)橫梁寬度mm680最大填料深度mm60主油缸內(nèi)最大工作壓力mpa33.8液壓系統(tǒng)工作壓力mpa16主電機(jī)功率kw75工作循環(huán)次數(shù)次/min18工作周期中加壓次數(shù)次2或3整機(jī)質(zhì)量t462.1.3 wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)wl1700全自動(dòng)液壓壓磚由本體(主機(jī))及液壓系統(tǒng)兩部分組成，壓磚機(jī)主機(jī)部分,如圖2.2所示。它由上橫梁、下橫梁、四個(gè)立柱和十六個(gè)內(nèi)外螺母組成一個(gè)封閉架框，框架承受全部工作載荷。工作油缸固定在上橫梁上，工作油缸內(nèi)裝有工作柱塞，它與活動(dòng)橫梁連接。活動(dòng)橫梁以四根立柱為導(dǎo)

13、向，在上、下橫梁之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。上模裝在活動(dòng)橫梁的下表面上，下模裝在下橫梁的工作臺(tái)上。當(dāng)高壓液體進(jìn)入工作缸后，在工作柱塞上產(chǎn)生很大的壓力，并推動(dòng)柱塞、活動(dòng)橫梁及上模向下運(yùn)動(dòng)，使坯體在上模、下模之間產(chǎn)生塑變形。回程油缸固定在下橫梁上，其中有回程柱塞，它與活動(dòng)橫梁相連接?；爻虝r(shí),工作油缸為低壓，回程油缸為高壓，使回程柱塞向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞橫梁回到原始位置，完成一個(gè)工作循環(huán)。圖2.2 wl1700全自動(dòng)液壓壓磚本文研究的wl1700型壓磚機(jī)機(jī)架采用螺栓預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的工況特點(diǎn)以及機(jī)架結(jié)構(gòu)中的橫梁和立柱的剛度問題，結(jié)構(gòu)合理，變形小，壽命長。該機(jī)的主要特點(diǎn)如下：（

14、1）臺(tái)面寬，頻率快，生產(chǎn)效率高；（2）采用強(qiáng)大的立柱導(dǎo)向，工作精度高；（3）頂出裝置采用全液壓控制，液壓鎖模，操作方便；（4）泵站采用全過濾液壓裝置，確保液壓系統(tǒng)清潔度，降低壓機(jī)故障率；（5）活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)速度由比例插裝閥控制，線性位移傳感器檢測(cè)位置，控制精度高，可在任意位置進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換控制；（6）裝置為獨(dú)立輔機(jī)，可移開，拆裝模具方便；料耙由油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，速度快，比例閥控制，可在任意位置進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換控制，精度高；（7）大型可編程序控制器，友好的人機(jī)界面，豐富的信息提示，操作、調(diào)節(jié)、維護(hù)極為方便。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：將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元，

15、并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連續(xù)的一組單元的集合體，同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一插值函數(shù)以求表示單元中中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而將一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題6。2.2.2 有限元分析步驟有限元法分析問題的基本步驟11：(1)結(jié)構(gòu)的離散化。離散化就是將要分析的結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，使相鄰單元的有關(guān)系數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個(gè)單元的集合體以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時(shí)，劃分的單元大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計(jì)算精度的要求和計(jì)算機(jī)的容量來決定。(2)選擇位移差值函數(shù)。為了能用節(jié)點(diǎn)位移表示單

16、元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時(shí)，必須對(duì)單元中位移的分布作一定的假設(shè)，即假定位移是坐標(biāo)的某個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常采用多項(xiàng)式作為位移函數(shù)。 (3)分析單元的力學(xué)特性。利用幾何方程、結(jié)構(gòu)方程和變分原理最終得到單位剛度矩陣。(4)集合所有單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。先將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚭铣烧w剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點(diǎn)力列陣集合成總的載荷列陣。(5)由平衡方程組求解未知節(jié)點(diǎn)位移和計(jì)算單元應(yīng)力。2.2.3有限元法求解步驟對(duì)于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同11。有限元求解問題

17、的基本步驟如下：（1）問題及求解域定義。根據(jù)實(shí)際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。（2）求解域離散化。將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個(gè)單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細(xì))則離散域的近似程度越好，計(jì)算結(jié)果也越精確，但計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。（3）確定狀態(tài)變量及控制方法。一個(gè)具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價(jià)的泛函形式。（4）單元推導(dǎo)。對(duì)單元構(gòu)造一個(gè)適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元

18、試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣(結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣)。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對(duì)工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時(shí)不僅精度低，而且有缺陷的危險(xiǎn)，將導(dǎo)致無法求解。（5）第五步，總裝求解。將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯(lián)合方程組)反映對(duì)近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在結(jié)點(diǎn)處。（6）聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋。有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機(jī)

19、法。求解結(jié)果是單元結(jié)點(diǎn)處狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來評(píng)價(jià)并確定是否需要重復(fù)計(jì)算。2.2.4 有限元法的優(yōu)點(diǎn)有線元法的特點(diǎn)是適用于求解各種形式(幾何上、物理上)復(fù)雜的問題，精度高，通用性強(qiáng)，對(duì)問題的處理既徹底又系統(tǒng)，適用于采用電子計(jì)算機(jī)方式。它本是線性問題的解法，但通過迭代法(如牛頓一拉裴森迭代法)也能巧妙地解決非線性問題12。其優(yōu)點(diǎn)如下：(1)概念淺顯，容易掌握?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘?duì)該法的理解；可以通過非常直觀的物理概念來理解；也可以建立基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。(2)適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)問題。(3)采用矩陣形式

20、表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序，可以充分利用高速計(jì)算機(jī)所提供的方便。2.3 計(jì)算軟件的選擇 本課題采用ansys workbench和pro/mechanica 有限元分析軟件，對(duì)wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)關(guān)鍵零、部件進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。2.3.1 ansys workbench軟件簡(jiǎn)介ansys workbench軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、電子、造船、汽車交通、國防工業(yè)、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。其分析類型有：結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)非線性

21、分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、電壓分析15。ansys workbench軟件具有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)： （1）強(qiáng)大而廣泛的分析功能：可廣泛用于求解結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等多物理及多場(chǎng)耦合的線性、非線性問題；（2）一體化的處理技術(shù)：主要包括幾何模型的建立、自動(dòng)網(wǎng)格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)等許多功能及使用工具；（3）豐富的產(chǎn)品系列和完善的開放體系：不同的產(chǎn)品配套可應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。ansys workbench分析過程包含3個(gè)主要的步驟：（1）創(chuàng)建有限元模型，并定義材料屬性和劃分網(wǎng)格；（2）施加載荷并求解；（3）查看結(jié)果，并分析結(jié)果的正確性。2.3.2

22、pro/mechanica軟件簡(jiǎn)介pro/mechanica是美國ptc公司推出的可以完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和有限元分析的無縫集成軟件。用戶在pro/engineer 環(huán)境下完成零件的幾何建模后，無需退出設(shè)計(jì)環(huán)境就能進(jìn)行有限元分析17。（1）pro/mechanica 軟件包是由以下3個(gè)模塊組成的。pro/mechanica structure 結(jié)構(gòu)分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)械零件、汽車結(jié)構(gòu)、橋梁和航空結(jié)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。它能夠完成的分析種類有靜力分析、模態(tài)分析、屈曲分析、疲勞分析、非線性大變形分析等。（2）pro/mechanica thermal 溫度分析模塊，可以進(jìn)行零件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分

23、析。其分析數(shù)據(jù)可以返回到結(jié)構(gòu)分析模塊，進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）pro/mechanica motion 運(yùn)動(dòng)分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、三維靜態(tài)分析和干涉檢查等。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹了全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的工作原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其基本參數(shù)，同時(shí)詳細(xì)論述了有限元法基本思想、有限元分析步驟、有限元法求解步驟及有限元法的優(yōu)點(diǎn)。為wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)關(guān)鍵零、部件有限元結(jié)構(gòu)分析打下基礎(chǔ)。第3章 全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的模態(tài)分析3.1 模態(tài)分析的概述模態(tài)分析用于提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，模態(tài)分析的重要性不僅是為了避免機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)在工作時(shí)發(fā)生共振，事先算出它們的固有頻

24、率和振型，而且還是分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和其他動(dòng)力特性的基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，固有頻率和振型對(duì)于動(dòng)載荷下的響應(yīng)是非常重要的參數(shù)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的基本模態(tài)信息能有助于得出其動(dòng)力響應(yīng)的特征。3.2 壓磚機(jī)模態(tài)分析全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)在實(shí)際的工況中，當(dāng)活動(dòng)橫梁快速返回到極限位置的時(shí)候，將會(huì)對(duì)上橫梁及其它部件產(chǎn)生最大的沖擊振動(dòng)，因此也將該時(shí)刻壓磚機(jī)的模型作為有限元模態(tài)分析的對(duì)象。3.2.1模型參數(shù)把壓磚機(jī)的pro/e模型直接導(dǎo)入到ansys workbech中。定義壓磚機(jī)模型各零件的材料屬性，把立柱、大螺母、柱塞、油缸套、下橫梁、上橫梁定義為結(jié)構(gòu)鋼，活動(dòng)橫梁定義為鑄鐵。由于在ansys workbech中，只要定義好了

25、屬于那種材料之后，材料的泊松比、彈性模量、密度的材料屬性就自動(dòng)設(shè)置好了，材料屬性如表3.1。表3.1壓磚機(jī)的材料屬性材料名稱泊松比彈性模量(mpa)密度（kg/mm3）結(jié)構(gòu)鋼0.321057.8510-6鑄鐵0.281.11057.210-63.2.2網(wǎng)格劃分模態(tài)分析中，把模型劃為較粗的網(wǎng)格，對(duì)于模型的固有頻率和振型的計(jì)算精度影響不大，但是可以減少計(jì)算時(shí)間。所以在壓磚機(jī)模態(tài)分析中，把模型的網(wǎng)格劃得較粗。由于壓磚機(jī)是一種框架結(jié)構(gòu)，用三維實(shí)體單元來描述該結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)架的實(shí)際情況。在ansys workbench軟件種，三維實(shí)體單元有兩種：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在劃分是要求結(jié)構(gòu)比

26、較規(guī)則，而對(duì)于壓磚機(jī)這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分十分困難，而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐直容^靈活，可以逼進(jìn)復(fù)雜的幾何形狀，因此，對(duì)機(jī)架的網(wǎng)格劃分采用四面體單元。因此使用系統(tǒng)默認(rèn)（四面體單元）的網(wǎng)格劃分方式對(duì)壓磚機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到：137377個(gè)節(jié)點(diǎn)，91568個(gè)單元，其模型網(wǎng)格圖，如圖3.1所示。圖3.1 網(wǎng)格3.2.3約束在實(shí)際情況中，壓磚機(jī)的下橫梁通過螺栓固定于地基之上。因此，對(duì)壓磚機(jī)模型的下橫梁的下底面添加固定約束，如圖3.2所示。圖3.2 約束3.2.4壓磚機(jī)模態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià)壓磚機(jī)自由振動(dòng)前六階振型云圖，如圖3.3，3.4，3.5，3.6，3.7，3.8所

27、示。壓磚機(jī)模態(tài)分析結(jié)果，總結(jié)如表3.2 。圖3.3一階模態(tài)云圖 圖3.4 二階模態(tài)云圖圖3.5 壓磚機(jī)三階模態(tài) 圖3.6 壓磚機(jī)四階模態(tài)圖3.7五階模態(tài)云圖 圖3.8六階模態(tài)云圖表3.2 壓磚機(jī)模態(tài)分析結(jié)果總結(jié)模態(tài)階數(shù)自由振動(dòng)頻率（hz）最大振幅（）模態(tài)振型描述117.020.349壓磚機(jī)上部前后彎曲振動(dòng)237.70.247壓磚機(jī)上部左右彎曲振動(dòng)352.190.364壓磚機(jī)左右兩端扭轉(zhuǎn)振動(dòng)490.10.419上橫梁的上部和活動(dòng)橫梁下部繞其中部作前后轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)5114.70.211上橫梁和活動(dòng)橫梁的中部上下伸縮震動(dòng)6148.540.450上橫梁和活動(dòng)橫梁繞它們中部左右轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)一階振型（f1= 17

28、.02 hz ）為壓磚機(jī)上部前后彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)將會(huì)增大壓磚機(jī)四個(gè)拐角處的彎矩，從而增加其應(yīng)力，同時(shí)加劇導(dǎo)套的磨損。二階振型（f2=37.7hz ）為壓磚機(jī)上部左右彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)將增大上下橫梁的彎矩，同時(shí)加劇導(dǎo)套的磨損，給上模及液壓缸的使用壽命帶來不利影響。三階振型（f352.197hz ）為壓磚機(jī)左右兩端受扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，該振動(dòng)將會(huì)增大上下橫梁的扭矩，同時(shí)加劇立柱的磨損。四階振型（f4=90.1hz）為上橫梁的上部和活動(dòng)橫梁下部繞其中部作前后轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)，該振動(dòng)將會(huì)增大四個(gè)拐角處的彎矩，同時(shí)，加劇壓磚機(jī)導(dǎo)向部分的磨損。五階振型 （f5=114.7hz ）為上橫梁和活動(dòng)橫梁上下伸縮振動(dòng)，該振動(dòng)也將增大

29、機(jī)架四個(gè)拐角的應(yīng)力，同時(shí)，對(duì)與壓磚機(jī)上橫梁相連接的上模以及與下橫梁相聯(lián)接的液壓缸、立柱、大螺母使用壽命產(chǎn)生不利影響。六階振型（f6148.547hz ）為上橫梁和活動(dòng)橫梁繞它們中部左右轉(zhuǎn)動(dòng)振動(dòng)，該振動(dòng)將會(huì)增大上橫梁的彎矩和四個(gè)拐角的應(yīng)力同時(shí)加劇立柱部分的磨損。從以上的振型分析可以看到，壓磚機(jī)不僅有前后，上下及左右方向的彎曲振動(dòng)，而且有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這些振動(dòng)將影響壓磚機(jī)的強(qiáng)度和剛度，加重壓磚機(jī)立柱的磨損，影響的陶瓷磚精度及模具和液壓缸的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)適當(dāng)增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動(dòng)的影響。對(duì)壓磚機(jī)前六階模態(tài)分析可得：（1）壓磚機(jī)整體的剛度和質(zhì)量分布較為均衡，無明顯的薄弱部位和過剩

30、部位，這有利于壓磚機(jī)的動(dòng)力性能；（2）壓磚機(jī)的最小固有頻率為17.02hz 。（而機(jī)架的沖擊頻率最大為0.3hz 即18次每分鐘），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其沖擊頻率，因而該壓磚機(jī)不會(huì)發(fā)生共振綜上所述， wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)具有合理的動(dòng)態(tài)參數(shù)，符合設(shè)計(jì)要求。3.3 本章小結(jié) 本章通過對(duì)壓磚機(jī)的模態(tài)分析，可知壓磚機(jī)的模態(tài)特性主要取決于：（1）壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布；（2）壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度及其所受的約束情況。第4章 機(jī)架的靜力學(xué)分析壓磚機(jī)的機(jī)架在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，都顯得笨重，而且在一些零件的關(guān)鍵部位出現(xiàn)強(qiáng)度不夠。本章通過對(duì)機(jī)架的靜力學(xué)分析，得到機(jī)架的全場(chǎng)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的情況，并進(jìn)行強(qiáng)度較核，找出設(shè)計(jì)的缺陷。4

31、.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析概述結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是用于分析穩(wěn)態(tài)載荷或固定不變的慣性載荷（如重力和離心力）引起的系統(tǒng)或部件的應(yīng)力、應(yīng)變、變形位移等。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析包括線性和非線性分析11。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的方程：kx=f （4.1）結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析就是按方程4.1平衡關(guān)系確定計(jì)算的，其中k為剛度系數(shù)矩陣，x為位移矢量，f為力矢量11。4.2機(jī)架靜力學(xué)分析4.2.1 模型參數(shù)在機(jī)架的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析時(shí)，認(rèn)為活動(dòng)橫梁與立柱之間的運(yùn)動(dòng)不應(yīng)有干涉，因此去掉活動(dòng)橫梁及與活動(dòng)橫梁連接的柱塞和模具。所以壓磚機(jī)整機(jī)pro/e模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化之后，直接導(dǎo)入到ansys workbench中。定義機(jī)架的材料屬性，定義為上橫梁、下

32、橫梁、立柱、油缸套、大螺母為結(jié)構(gòu)鋼。材料參數(shù)如表4.1。表4.1壓磚機(jī)的材料屬性材料名稱泊松比彈性模量(mpa)密度（kg/mm3）結(jié)構(gòu)鋼0.321057.8510-64.2.2 網(wǎng)格劃分由于機(jī)架是一種框架結(jié)構(gòu)，用三維實(shí)體單元來描述機(jī)架結(jié)構(gòu)，更能放映機(jī)架的實(shí)際情況。在ansys workbench軟件種，三維實(shí)體單元有兩種：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在劃分是要求結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，而對(duì)于機(jī)架這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分十分困難，而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐直容^靈活，可以逼進(jìn)復(fù)雜的幾何形狀，因此，對(duì)機(jī)架的網(wǎng)格劃分采用四面體單元。并且對(duì)可能出現(xiàn)危險(xiǎn)部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，

33、以至分析的結(jié)果能較為精確。劃分網(wǎng)格的結(jié)果是模型中共有213752個(gè)節(jié)點(diǎn)，140050個(gè)單元，機(jī)架模型網(wǎng)格如圖4.1所示。 圖4.1 機(jī)架模型網(wǎng)格圖4.2.3 約束和載荷根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)下橫梁的下表面施加固定約束。從wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表2.1，可知主油缸的最大工作壓力為33.8mpa，作用在下橫梁上表面的作用力f由工程壓制力和活動(dòng)等零部件的重力產(chǎn)生，作用力的大小為17701301n，它與下模具接觸的面積為1041253mm2,所以作用于下橫梁上表面的壓力p的大小如下：p=f/s=177000130/1041253=17mpa (4.2)上橫梁主油缸內(nèi)的載荷按均布載荷作用在

34、油缸內(nèi)壁；下橫梁與下模具接觸表面的載荷也按均布載荷考慮1。施加約束和載荷的結(jié)果，如圖4.2所示。如圖4.2施加壓機(jī)架模型的約束和載荷4.2.3機(jī)架靜力學(xué)分析結(jié)果評(píng)價(jià) 機(jī)架靜力學(xué)分析云圖，如圖4.3，4.4，4.5所示。分析結(jié)果總結(jié)如表4.2。 圖4.3機(jī)架的應(yīng)力云圖 圖4.4 機(jī)架的應(yīng)變?cè)茍D圖4.5 機(jī)架位移圖表4.2機(jī)架靜力學(xué)分析分析結(jié)果總結(jié)機(jī)架的位置應(yīng)力（mpa）應(yīng)變（10-2mm/mm）位移(mm)上橫梁油缸頂角處200.370.170立柱與上、下橫梁的拐角處224.1530. 2600.930上橫梁中部1.753上橫梁使用的zg310-570,立柱使用的材料為45鋼，它們的材料主要力學(xué)

35、性能參數(shù)如表4.3表4.3 zg310-570和45鋼的主要力學(xué)性能材料名稱屈服強(qiáng)度（s/mpa）抗拉強(qiáng)度（b/ mpa）zg310-57031050045鋼353598上橫梁的安全系數(shù)：n1=310/200.153=1.549,立柱的安全系數(shù)n2=353/224.153=1.575從參考文獻(xiàn)19中查得，鑄鋼和45鋼的完全系數(shù)都為1.21.5,所以它們的設(shè)計(jì)滿足靜力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。 4.3 本章小結(jié)最大的應(yīng)力存在于上橫梁、底座和立柱之間的交接的拐角處,是這些部位存在附加彎矩，故產(chǎn)生較大的應(yīng)力；在油缸內(nèi)上部角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，是在高壓作用下，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。上橫梁中部的位移變形橫立柱位移變形位

36、都會(huì)影響活動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)精度，還使得立柱與活動(dòng)活動(dòng)橫梁之間產(chǎn)生相互的作用力，同時(shí)增加它們之間的磨損。在上橫梁油缸頂角處的應(yīng)力較大，通過適當(dāng)?shù)脑龃筮^渡圓角值，使應(yīng)力值減小。通過靜力強(qiáng)度較核發(fā)現(xiàn)，立柱和上橫梁的安全系數(shù)要高于許用的安全系數(shù)，這可能是在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，太保守的設(shè)計(jì)所造成的，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致壓磚機(jī)比較笨重，而且提高了生產(chǎn)成本。第5章 活動(dòng)橫梁的有限元分析與優(yōu)化活動(dòng)橫梁是壓磚機(jī)中壓制陶瓷磚的關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)零件，它受到柱塞對(duì)它的沖擊，模具對(duì)它的擠壓力，并且長期工作在脈動(dòng)載荷下，常發(fā)生斷裂的嚴(yán)重事故。所以對(duì)活動(dòng)橫梁采用比較全面的有限元分析與優(yōu)化。5.1靜力學(xué)分析在活動(dòng)橫梁存在最大公稱壓制力的情況時(shí)，對(duì)

37、活動(dòng)橫梁的進(jìn)行靜力學(xué)分析。得到活動(dòng)橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變、位移，并且對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行較核。5.1.1 模型參數(shù)把用活動(dòng)橫梁pro/e模型直接導(dǎo)入到ansys workbech中，定義活動(dòng)橫梁材料為鑄鐵，即材料屬性如表5.1。表5.1活動(dòng)橫梁的材料屬性材料名稱泊松比彈性模量(mpa)密度（kg/mm3）鑄鐵0.281.11057.210-65.1.2 劃分網(wǎng)格選用四面體單元對(duì)對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且劃為較細(xì)的網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格的結(jié)果是模型中共有22580個(gè)節(jié)點(diǎn)，14650個(gè)單元，活動(dòng)橫梁模型網(wǎng)格圖，如圖5.1所示。圖5.1活動(dòng)橫梁模型網(wǎng)格圖5.1.3 約束和載荷活動(dòng)橫梁的四個(gè)力柱孔分別受到四根立柱的僅有壓

38、縮約束。僅有壓縮約束是僅僅限制這個(gè)表面在約束的法向正方向的移動(dòng)。在任何給定的表面可以施加法向僅有壓縮的約束。解釋這種約束的一種方法就是將它想象為一個(gè)“剛性”結(jié)構(gòu)，它與選擇的表面有相同的形狀。注意到這些接觸（壓縮）面事先不知道?？梢栽谝粋€(gè)圓柱面上模擬“扣牢的圓柱約束”。如圖5.2所示，顯示出了沒有變形的圓柱的輪廓。有壓縮力的表面阻止原始圓柱變形，而可伸長的表面自由變形。這種約束需要一個(gè)迭代來求解。由于事先不知道壓縮面的行為，所以需要利用迭代求解器來判斷哪個(gè)表面顯示的是壓縮行為。圖5.2 僅有壓縮約束從wl1700全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)可知，活動(dòng)橫梁的上部與柱塞接觸的表面受到的最大公稱壓制

39、力為17000000n，而且接觸的上表面面積385456mm2，所以壓力為44.104mpa,活動(dòng)橫梁的下表面受到的來自坯料的作用力等于公稱壓制力與活動(dòng)橫梁的重力之和，其大小為17042359n，活動(dòng)橫梁與下模接觸的面積為1041253 mm2,所以下表面的擠壓力為16.356mpa?；顒?dòng)橫梁模型約束和載荷，如圖5.3所示。圖5.3 活動(dòng)橫梁模型約束和載荷5.1.4 活動(dòng)橫梁靜力學(xué)分析結(jié)果活動(dòng)橫梁靜力學(xué)分析的應(yīng)力、應(yīng)變、位移結(jié)果，如圖5.4，5.5，5.6所示，分析結(jié)果總結(jié)，如表5.2。圖5.4 活動(dòng)橫梁的應(yīng)力云圖圖5.5 活動(dòng)橫梁的應(yīng)變?cè)茍D圖5.6 活動(dòng)橫梁位移圖表5.2 活動(dòng)橫梁靜力學(xué)分析

40、結(jié)果出現(xiàn)的位置最大應(yīng)力（mpa）最大應(yīng)變（10-2mm/mm)最大位移(mm)立柱孔和中間孔處122.0760.1110.476活動(dòng)橫梁選用鑄鐵為ht350，ht350材料的主要力學(xué)性能如表5.3。對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行靜力學(xué)的強(qiáng)度較核：n=350/122.076=2.87。從參考文獻(xiàn)19中查得，鑄鐵零件要求的安全系數(shù)為1.52.5。所以能滿足活動(dòng)橫梁靜力學(xué)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。表5.3 ht350材料的主要力學(xué)性能材料名稱抗拉強(qiáng)度（mpa）抗壓強(qiáng)度（mpa）疲勞強(qiáng)度（mpa）抗剪強(qiáng)度（mpa）ht35035011001300140180350500活動(dòng)橫梁的上表面的孔處和四個(gè)立柱孔處，出現(xiàn)最大應(yīng)力集中現(xiàn)象

41、。立柱孔處的應(yīng)力集中主要是彎矩引起；中間孔處主要是柱塞的壓力所引起。5.2 動(dòng)態(tài)時(shí)域分析5.2.1 動(dòng)態(tài)時(shí)域分析概述動(dòng)態(tài)時(shí)域分析用于研究隨時(shí)間變化的載荷作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的響應(yīng)技術(shù)16。求解結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)時(shí)域分析的方法有振型疊加法和直接積分法。前者用模態(tài)振型矩陣作為變形矩陣，將結(jié)構(gòu)在物理空間上耦合的動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為在模態(tài)空間上的一組非耦合動(dòng)力學(xué)方程，然后利用單自由度振動(dòng)方程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析方法求解，最后疊加到結(jié)構(gòu)在物理空間的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。該法應(yīng)先求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，因而適應(yīng)于阻尼矩陣c可以對(duì)角化和不太復(fù)雜的激振力的情況。而后者則對(duì)動(dòng)力方程直接用數(shù)值積分法求解，將時(shí)間離散化，在一個(gè)時(shí)間間

42、隔內(nèi)對(duì)位移、速度和加速度的關(guān)系做某種假設(shè)，將運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)化成該時(shí)刻點(diǎn)上位移矢量的代數(shù)方程，最后用遞推公式求解。該法不須先求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，因而適合動(dòng)載荷復(fù)雜情況10。動(dòng)態(tài)時(shí)域分析是研究結(jié)構(gòu)在外部激振力的作用下的各種響應(yīng)，包括應(yīng)力、位移等的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)在外部激振的響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)位移，從而影響產(chǎn)品的使用壽命和工作性能。采用pro/mechanica 的分析軟件，對(duì)活動(dòng)橫梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，分析隨時(shí)間變化的載荷下，不同時(shí)刻模型應(yīng)力、應(yīng)變及位移。此外，創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)力變化的測(cè)量值。5.2.2 模型參數(shù)在使用pro/mechanica 有限元分析元件中，自定義活動(dòng)材料屬性，如表5.4

43、，定義好材料屬性之后，分配于整個(gè)活動(dòng)橫梁模型上。表5.4.活動(dòng)橫梁的材料屬性材料名稱泊松比彈性模量(mpa)密度（kg/mm3）鑄鐵0.281.11057.210-65.2.3 劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格與在ansys workbench中類似，使用四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于活動(dòng)橫梁應(yīng)力集中的部位采用較細(xì)的網(wǎng)格。劃分的網(wǎng)格的結(jié)果是模型中有26834個(gè)節(jié)點(diǎn)，16935個(gè)單元，其網(wǎng)格圖，如圖5.7所示。如圖5.7活動(dòng)橫梁網(wǎng)格圖5.2.4 約束和載荷添加約束條件，約束活動(dòng)橫梁兩側(cè)的四個(gè)立柱孔，x、z方向作為固定，y方向保持自由，x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，也作為固定。定義隨時(shí)間變化的載荷，通過表格的方式繪制?；顒?dòng)

44、橫梁的上表面與柱塞接觸的面積s1=385456mm2,作用力為f1；下表面受到擠壓力的面積s2=1041253mm2,作用力為f2。所以，上表面的壓力p1=f1/s2，下表面的壓力p2=f2/s2,它們表面作用力隨時(shí)間變化，如表7.1。根據(jù)表格，在軟件pro/mechanica 的分析中繪制的函數(shù)圖，如下圖5.8和圖5.9所示?；顒?dòng)橫梁模型在動(dòng)態(tài)時(shí)域分析約束和載荷如圖5.10所示。表5.5 活動(dòng)橫梁隨時(shí)間變化的載荷受壓力的表面活動(dòng)橫梁壓制坯料的時(shí)間(s)00.10.40.50.80.91.3上表面s1(mpa)011.02611.02625.72725.72744.10444.104下表面s2

45、(mpa)0.0444.1224.12209.5599.55916.35616.356圖5.8 上表面隨時(shí)間變化載荷的函數(shù)圖圖5.9下表面隨時(shí)間變化載荷的函數(shù)圖圖5.10活動(dòng)橫梁模型在動(dòng)態(tài)時(shí)域分析約束和載荷5.2.5 活動(dòng)橫梁的動(dòng)態(tài)時(shí)域分析結(jié)果評(píng)價(jià)依據(jù)前面的靜態(tài)應(yīng)力分析的結(jié)果，在最大應(yīng)力處建立測(cè)量點(diǎn)measure1,即選擇活動(dòng)橫梁中間孔的邊緣一點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)。動(dòng)態(tài)時(shí)域分析之后，得到測(cè)量點(diǎn)在此時(shí)域上的應(yīng)力變化如圖5.11所示，其最大的應(yīng)力值為131.5mpa，而靜態(tài)分析的應(yīng)力值122.076mpa,在動(dòng)載荷下的應(yīng)力值比最大的靜載荷的應(yīng)力值增大了9%。動(dòng)態(tài)時(shí)域分析的應(yīng)力云圖，如圖5.12，5.13，

46、5.14所示。圖5.11 測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力變化圖5.12 活動(dòng)橫梁的應(yīng)力圖5.13活動(dòng)橫梁的應(yīng)變圖5.14活動(dòng)橫梁的位移經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，活動(dòng)橫梁的中間孔和兩側(cè)的四個(gè)立柱孔，存在顯著的應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在活動(dòng)橫梁鑄造時(shí)應(yīng)嚴(yán)格鑄造工藝，減少缺陷，不能出現(xiàn)微裂紋或微孔隙。四個(gè)立柱孔處應(yīng)力集中最為顯著，因此，在活動(dòng)橫梁的四個(gè)立柱孔處裝上結(jié)構(gòu)鋼的導(dǎo)套，來緩解應(yīng)力集中導(dǎo)致立柱孔處的破壞，并且提高活動(dòng)橫梁的導(dǎo)向性。5.3 疲勞分析5.3.1 疲勞分析概述疲勞是指結(jié)構(gòu)在底于靜態(tài)強(qiáng)度極限的載荷重復(fù)作用下出現(xiàn)疲勞斷的現(xiàn)象14。疲勞破壞的主要因素有載荷的循環(huán)次數(shù)；每一個(gè)循環(huán)的應(yīng)力副值和平均應(yīng)力；局部應(yīng)力集中14。疲勞破壞的過

47、程是:零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處，最弱的及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和瞬斷三個(gè)階段。疲勞分析原理是采用了簡(jiǎn)化的彈性假設(shè)和miner累積疲勞準(zhǔn)則。miner累積疲勞準(zhǔn)則是材料在重復(fù)外載荷作用下，其內(nèi)部的微缺陷和空穴不斷地產(chǎn)生與發(fā)展，從宏觀上表現(xiàn)為材料損傷的累積，當(dāng)材料的損傷累積達(dá)到臨界值時(shí)則產(chǎn)生失效15。5.3.2 活動(dòng)橫梁疲勞分析活動(dòng)橫梁在運(yùn)動(dòng)過程中，各點(diǎn)應(yīng)力變化符合脈動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律。脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力曲線如圖5.15所示，縱坐標(biāo)值1表示活動(dòng)橫梁的最大應(yīng)力值?；顒?dòng)橫梁的疲勞分析是建立在靜力學(xué)

48、分析的基礎(chǔ)上的，因此，活動(dòng)橫梁的疲勞分析處理和其線性靜力分析很相似,因此這里不做詳細(xì)的介紹。不通在于要定義材料的s-n曲線，只是在求解時(shí)，選用疲勞求器，即可。圖5.15 脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力一般的sn曲線有這樣的共同特點(diǎn)，即當(dāng)破壞循環(huán)次數(shù)小于103，疲勞極限x接近于b，而且在1到103之間，變化不大；而且當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于106時(shí)，疲勞極限x趨近于-1，而在103106之間，存在著關(guān)系式，m和c為常數(shù)，對(duì)等式兩邊取對(duì)數(shù)后得： （5.1）因此在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的sn曲線圖和之間存在線形關(guān)系，只要知道103和106兩點(diǎn)的值，這個(gè)直線就確定了。在n103時(shí)，近似取x=0.9b，而在n106時(shí)，近似取x=-1，由于活

49、動(dòng)橫梁的材料為鑄鐵，型號(hào)為ht350，它的b=350mpa，-1=180mpa。所以，當(dāng)n=103時(shí)，x=315 mpa；當(dāng)n=106時(shí)，x=180 mpa，所以在鑄鐵材料ht350的sn曲線，如圖5.16所示。圖5.16 sn曲線活動(dòng)橫梁的設(shè)計(jì)壽命為循環(huán)109次，即為高周疲勞，受應(yīng)力幅控制，mean stress theory選用工程上較為常用的goodman曲線，如圖5.17所示。圖5.17 goodman曲線5.3.3 活動(dòng)橫梁疲勞分析結(jié)果（1）活動(dòng)橫梁的疲勞壽命分析結(jié)果，如下圖5.18所示。從分析結(jié)果中得到活動(dòng)橫梁的疲勞壽命最小值也能達(dá)了109，到達(dá)了設(shè)計(jì)的壽命要求，因此符合活動(dòng)橫梁壽

50、命的設(shè)計(jì)要求。圖5.18活動(dòng)橫梁壽命（2）安全系數(shù)是指計(jì)算出來的各個(gè)節(jié)點(diǎn)壽命與指定的設(shè)計(jì)壽命之比。分析結(jié)果如圖5.19所示，安全系數(shù)為1.741，從參考文獻(xiàn)19中查得，鑄鐵零件要求的安全系數(shù)為1.52.5。所以活動(dòng)橫梁的設(shè)計(jì)符合安全可靠的要求。 圖5.19 活動(dòng)橫梁安全系數(shù)（3）活動(dòng)橫梁的疲勞靈敏性是指在靜態(tài)分析載荷在0與150%之間作脈動(dòng)循環(huán)時(shí)，活動(dòng)橫梁的疲勞壽命變化情況?；顒?dòng)橫梁載荷的脈動(dòng)變化的實(shí)際變化為0到100%之間，所以通過分析結(jié)果圖5.20，可知，活動(dòng)橫梁的疲勞靈敏性非常好。圖5.20 活動(dòng)橫梁的疲勞靈敏性通過對(duì)活動(dòng)橫梁的疲勞計(jì)算，活動(dòng)橫梁的疲勞壽命、安全系數(shù)，都能達(dá)到活動(dòng)橫梁疲勞

51、設(shè)計(jì)的要求；活動(dòng)橫梁的疲勞靈敏性在脈動(dòng)載荷變化的情況下，靈敏性非常好。 5.4 拓?fù)鋬?yōu)化5.4.1 拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化是形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。外形優(yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度優(yōu)化”設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（如材料特性、模型、載荷等）和需要省去的材料百分比。拓?fù)鋬?yōu)化只適用于實(shí)體。形狀優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是在滿足結(jié)構(gòu)約束的情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減少結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這種技術(shù)通過使用設(shè)計(jì)變量給每個(gè)單元賦

52、予內(nèi)部偽密度來實(shí)現(xiàn)16。5.4.2 ansyns workbench拓?fù)鋬?yōu)化“shape finder”是一個(gè)優(yōu)化問題,其結(jié)構(gòu)能量在減少結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上的最小化。它盡量得到關(guān)于體積比率的最好剛度；盡可能的找尋可以在對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除的面積。由于“shape finder”在載荷和約束的基礎(chǔ)上盡量減少體積和增大剛度， 因此載荷和約束十分重要并會(huì)影響結(jié)果?！皊hape finder”一般在載荷施加的地方和約束反作用于載荷的地方保持材料不變?？s減材料不能太多，否則會(huì)導(dǎo)致行架式結(jié)構(gòu)?！皊hape finder”基于一個(gè)單獨(dú)的靜力結(jié)構(gòu)環(huán)境下，“shape finder”不能用于復(fù)合環(huán)

53、境下。5.4.3 活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化處理和其線性靜力分析很相似,因此這里不是所有的步驟都詳細(xì)介紹。只是在求解時(shí)，選用拓?fù)鋬?yōu)化器即可。優(yōu)化結(jié)果，如圖5.20，5.21，5.22，5.23所示，圖中橙色代表可去除的材料，褐色的是邊緣。活動(dòng)橫梁的初始和最終結(jié)構(gòu)的質(zhì)量邊緣質(zhì)量詳細(xì)比較如表5.1。圖5.20去除10%材料 圖5.21去除15%材料 圖5.22 去除20%材料圖 圖 5.23去除25%材料表5.2初始和最終結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的邊緣質(zhì)量詳細(xì)比較優(yōu)化質(zhì)量百分比初始結(jié)構(gòu)質(zhì)量（）最終結(jié)構(gòu)質(zhì)量（）邊緣質(zhì)量（）10%45286418316720415%45286401263805220%45

54、286384168443825%452863674347100活動(dòng)橫梁的上表面中間處受到柱塞對(duì)它的壓力，而下表面受到擠壓力，因此活動(dòng)橫梁上部兩側(cè)的斜角部分所受到的影響很??；四個(gè)力柱孔受到立柱的僅壓縮約束，但其下邊緣處受到立柱的約束影響很小,因此，活動(dòng)橫梁的上部兩側(cè)的斜角部分和立柱下邊緣處，在合理的剛度情況下，可以去除這些部分的材料，達(dá)到優(yōu)化活動(dòng)橫梁質(zhì)量的目的。5.5 本章小結(jié)（1）通過對(duì)活動(dòng)橫梁的靜力學(xué)分析，找出活動(dòng)橫梁應(yīng)力集中的最大部位存在于活動(dòng)橫梁的四個(gè)立柱孔處和中間的孔處。（2）通過活動(dòng)橫梁的動(dòng)態(tài)時(shí)域分析，找出活動(dòng)橫梁應(yīng)力集中處的測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。（3）通過活動(dòng)橫梁的疲勞分析，分析出疲勞壽命值、疲勞不會(huì)破壞的可能性、 安全系數(shù)及疲勞靈敏性，從分析中分析結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)活動(dòng)橫梁滿足疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)得要求。（4）通過對(duì)活動(dòng)橫梁的拓?fù)鋬?yōu)化，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)橫梁能夠進(jìn)行材料去除的部位，使得活動(dòng)橫梁在滿足強(qiáng)度要求的情況下達(dá)到質(zhì)量優(yōu)化的目的。結(jié) 論本文基于有限元分析軟件ansys workbench和pro/mechanica平臺(tái)，對(duì)w