JS-500精整壓力機機身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計開題報告

廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動機化 設(shè)計（論文）題目： JS-500精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及改進設(shè)計 指 導(dǎo) 老 師： 2014 年 3 月 20 日 2 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 1、結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 1.1 課題研究的目的和意義 1.1.1 壓力機的概述 壓力機是一種通用性設(shè)備，可以廣泛的應(yīng)用于粉末、陶瓷、橡膠、磁材、金屬、復(fù)合材料等的壓力成型以及各種機械、汽車裝配線上零部件的壓裝等工作。 但長期以來我國壓力機的設(shè)計和制造水平比較低，存在著其壓力、位置等參數(shù)的控制基本上還是手動或模擬量的調(diào)整，自動化水平低，壓機間及壓機與上位機間無法進行通訊，液壓回路控制簡單 ，床身結(jié)構(gòu)為經(jīng)驗設(shè)計等缺點，無法滿足高精度壓裝制造業(yè)的需求，與金屬切削設(shè)備相比，其伺服化、數(shù)字化的開發(fā)進程落后數(shù)十年。特別是近年來，我國汽車工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，從而帶動著整個制造業(yè)的振興，而在各種汽車零部件的制造和裝配過程中離不開壓力機械的使用，壓力機的市場需求在逐年增加，同時舊的壓力機也隨著產(chǎn)品技術(shù)要求的提高而需要更新。 因此，該機的研制成功與大量使用對于提高壓裝質(zhì)量及降低操作者的勞動強度將起到重要的作用。也必將對于提升我國壓力機的裝備水平及至整個國民制造業(yè)有著深遠的意義 1。 機械壓力機是利用 曲柄滑塊機構(gòu)將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運動對坯料進行成形加工的鍛壓設(shè)備。能進行各種沖壓工藝以直接生成半成品或成品 2。在所有的鍛壓設(shè)備中，機械壓力機所占比例高達 80%以上 3。 精整壓力機是一種精密、高速、高效的精密整形拉深壓力機，設(shè)備采用六連桿機構(gòu)并進行了優(yōu)化設(shè)計，使該設(shè)備既具有類似于液壓機的運動特性曲線，又具有較快的行程次數(shù) 4。 1.1.2 國內(nèi)外壓力機的發(fā)展 3 目前我國壓力機機身的設(shè)計至今大多沿用經(jīng)驗、類比的傳統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計出的床身不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速度、精度提不高，而且設(shè)計周 期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國產(chǎn)壓力機在高檔次壓力機領(lǐng)域內(nèi)無法與國外壓力機相抗衡。隨著中國加入 WTO，中國的機床制造企業(yè)的形勢將變得更加嚴峻，并面臨更為強大的競爭對手，為此，中國的壓力機制造企業(yè)必須改變原有的傳統(tǒng)設(shè)計方法，以先進的設(shè)計制造手段作為技術(shù)支撐，來提高我國壓力機的設(shè)計與制造水平，在新的市場環(huán)境中積極參與競爭。隨著 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)分析方法已為工程技術(shù)設(shè)計人員廣為認識和發(fā)展，在機床設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益 5。 自 改革開放以來，我國國民經(jīng)濟得到了穩(wěn)定高速的發(fā)展，液壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用在冶金、工業(yè)設(shè)備、汽車、工程機械、船舶、飛機、潤滑系統(tǒng)等各個領(lǐng)域 6。 近年來，由于我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機特別是新型壓力機的需求越來越多，國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。世界許多壓力機生產(chǎn)廠家都把精力集中在開發(fā)高速度、高精度的壓力機上。我國目前對壓力機機身的設(shè)計長期以來還沿用經(jīng)驗、類比的傳統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計出的床身不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速度、精度提不高，而且設(shè)計周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國產(chǎn)壓力機在高檔次壓力機領(lǐng) 域內(nèi)無法與國外壓力機相抗衡。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)與機床分析技術(shù)的結(jié)合，要求我們引入現(xiàn)代設(shè)計理念與手段，利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)特征的計算，對新型壓力機機身作全面的分析優(yōu)化。同時，對壓力機的優(yōu)化方法進行探索，實現(xiàn)真正意義上的設(shè)計7。 目前國內(nèi)外大多數(shù)使用的壓力機一般都采用不可調(diào)速的交流異步電動機進行驅(qū)動，這種驅(qū)動方式需要一整套的轉(zhuǎn)換機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成所需要的直線往返運動，同時為了減小電動機的功率，還在傳動系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，這種傳動系統(tǒng)成本較低，但是體積笨重，變速難度大 8。 國外對于壓力機的機身 也有大量的研究，德國的 Neuman M.和 Hahn.H建立了機械壓力機的三種不同復(fù)雜程度的工程模型，并通過實驗進行驗證模型的參數(shù)，從而對壓力機進行計算機仿真和動態(tài)設(shè)計。丹麥的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim 設(shè)計了一種壓力機實驗來確定了壓力機的六個剛度，從而為壓力機的設(shè)計提供了有益的幫助 9。 4 日本作為世界上資源最稀缺并且消耗最大的國家之一，他們的工程技術(shù)人員對節(jié)能技術(shù)的研究一直處于世界先進水平。作為日本非常有影響力的企業(yè)，口本第一電氣株式會社從 20世紀 80年代末就開始對直驅(qū)式 電液伺服系統(tǒng)進行研究，取得了一系列的研究成果，己經(jīng)在開始在工程設(shè)備中使用 10。 目前世界鍛壓設(shè)備的發(fā)展趨勢是 :集機械、電子、液壓、氣動及檢測等方面的最新技術(shù)于一體，自動化程度高、換模快速、工作可靠、噪聲低、防護完善、精度高。近年來又發(fā)展了數(shù)控系統(tǒng)，能和電子機算機、工業(yè)機器人、自動換模系統(tǒng)及自動倉儲等相結(jié)合，構(gòu)成多種系列的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)，并向現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)方向發(fā)展 11。 1.2 有限元的應(yīng)用 1.2.1 有限元 簡介 有限元法 (Finite Element Method)簡稱 FEM，產(chǎn)生于 20世紀 40年代。此前，工程中解微分方程的數(shù)值方法主要是差分法。由于航空工業(yè)發(fā)展的需要，對飛機的結(jié)構(gòu)要進行精細的設(shè)計與計算，以減輕質(zhì)量、提高強度等，這就推動了結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了矩陣力學(xué)分析方法。 R.W.Clough (1960年 )在分析彈性力學(xué)問題時首次提出有限元方法的名稱。馮康等 (1964年 )也提出了類似的有限元方法及變分原理。此后，有很多的工程師在土木工程、機械工程等各個領(lǐng)域嘗試采用有限元方法分析彈性力學(xué)問題、流體力學(xué)問題、傳熱問題等，推動了有限方法的蓬勃發(fā)展。 1967 年， ZienkiewiczOC 和 Cheung最早出版了有限元分析的專著。 1972年， J.T.Oden出版了非線性連續(xù)體的有限元專著。有限元方法的出現(xiàn)，不但使過去想分析而無法分析的問題得到很好的解決，也使各類問題計算結(jié)果的精度大大提高，同時引發(fā)了計算數(shù)學(xué)的革命，帶動了其他學(xué)科的發(fā)展。據(jù)估計，目前國際上，有 90%以上的機械類產(chǎn)品、土木工程結(jié)構(gòu)要采用有限元分析方法進行分析 ， 有 70%的科技文獻中會采用有限元作為分析工具 12。 李明典等用有限元法分析了錘桿在對中和偏心載荷作用下應(yīng)力沿錘桿的分布，探討了不同偏心、加速度和材質(zhì)對錘桿動應(yīng)力分布的影 響，為錘桿的改進設(shè)計提供有用的理論依據(jù) 13。土俊領(lǐng)通過對軋機機架的有限元分析，找出了危險點的位置，確定了極限安全系數(shù) 14。土蘇安等針對某廠 25 噸曲柄連桿式吃剪機機架使用中存在的問題，采用ALGOR軟件對吃剪機機架進行了有限元分析和強度研究，得出了吃剪機機架的應(yīng)力、 5 應(yīng)變分布，找出了薄弱環(huán)節(jié)，并應(yīng)用電阻應(yīng)變儀在現(xiàn)場作了多點測試，其理論值和實際測試值吻合較好。并對吃剪機架提出了改進措施，對改進后的機架又進行了有限元分析。實踐證明通過改進的曲柄連桿式吃剪機架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型雙盤摩擦壓力機為例，較為全面地分析了中心載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和偏心載荷對機身強度和剛度的影響，提出了允許偏載域的概念及一些解決問題的方法與設(shè)計準則 16。史寶軍、管延錦等對壓力機的強度和剛度進行了研究，并結(jié)合機身的結(jié)構(gòu)特點，分別采用了許多措施，使機身的結(jié)構(gòu)更合理 1718。史寶軍等主要對 J21-160型開式壓力機機身進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)選，取得了既減輕重量又提高強度、剛度的顯著效果。這說明鍛壓機械的有限元分析已從原來的應(yīng)力和變形分析走向結(jié)構(gòu)的靜態(tài)優(yōu)化 19。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁 場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上計算機輔助工程行業(yè)中最大公司之一 ANSYS 公司開發(fā) 20。 1.2.2 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。實際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程進度的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于當時計算機尚未出現(xiàn)而沒有被重視。直到 60年代有限元法才發(fā)展起來，是計算機的產(chǎn)物 。美國克勞夫教授運用三角形單元對飛機結(jié)構(gòu)進行了計算，并在 1960年首次提出了 “ 有限單元法 ” 這一名稱 21。我國的馮康教授在 1956年中發(fā)表的論文中也提到了有限單元法。自從 1965 年“ 有限元 ” 這個名詞第一次出現(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。近年來隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析 計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 隨著電子計算機速度、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大量的精力。不僅如此 ， 商品化有限元程序的發(fā)展 ,還使 6 用戶能夠擺脫手工網(wǎng)格劃分、逐點輸入結(jié)點坐標和單元聯(lián)接信息 。 而且通過屏幕菜單方式得到了良好的人機對話環(huán)境和在計算結(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。它們通過互交式計算機圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 22。 通過對壓力機機身進行有限元分析后，對強度、剛度相對薄弱的局部結(jié)構(gòu)進行改進23。 隨著計算機與有限元軟件的發(fā)展，用有限元法對零部件進行受力分析校核逐漸取代了原有的經(jīng)典材料力學(xué)的危險截面計算法。通過測試證明，有限元法計算結(jié)果誤差更小，能夠為設(shè)計人員提供更為可靠的參考依據(jù)。近兩年來，采用有限元分析法對機床在設(shè)計開發(fā)階段的關(guān)鍵零部件進行及時分析校核，為零部件的反復(fù)優(yōu)化改型設(shè)計提供了重要參考依據(jù)，使機床在生產(chǎn)加工前，其零部件強度和剛度己經(jīng)有了較 好的控制，極大減少了返工率 24。 有限元方法的一些發(fā)展趨勢： 1.與 CAD 軟件的無縫集成 2.更強大的網(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)場求解發(fā)展到耦合場問題求解 5.程序面向用戶具有開放性 25。 參考文獻 1 雷小寶 .新型數(shù)字化壓力機的研制 D.合肥工業(yè)大學(xué)， 2007.10 2 梁建軍 .伺服壓力機交流永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā) D.華南理工大學(xué)， 2011.06 3 董建興 .壓力機再制造關(guān)鍵技術(shù)及實例研究 D.山東理工大學(xué)， 2013.04 4 張新國，韓杰，孫林，馮濤 .大噸 位精整壓力機快速返程時慣性沖擊原因分析及對策J.江蘇揚州：揚州捷邁鍛壓機械有限公司， 2012 5 張祖芳 .開式壓力機機身的有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計 D.東南大學(xué)， 2004.03 6 沈文軒 .檢測壓力機的開發(fā)與研究 D.廣東工業(yè)大學(xué)， 2013.05 7 周平 .新型壓力機機身有限元分析和優(yōu)化 D.南京理工大學(xué)， 2007.06 8 吳凡 .直流伺服電機驅(qū)動的壓力機設(shè)計和研究 D.蘇州大學(xué) ,2011.11 9 任翠鋒 .YH30-400液壓機機身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化 D.合肥工業(yè)大學(xué)， 2009.04 10 王漢杰 .壓力機用直驅(qū)式電 液伺服系統(tǒng) D.河南科技大學(xué)， 2011.04 11 于曉紅 .我國鍛壓行業(yè)近況及前景淺析 J.江蘇揚州：揚州捷邁鍛壓機械有限公司， 7 2011 12 丁科，陳月順 .有限單元法 M.北京 :北京大學(xué)出版社， 2006. 1 13 李明典 .錘桿應(yīng)力的有限元分析 J.鍛壓機械， 1986 (2) : 15-17 14 土俊領(lǐng) .4200MM軋機機架三維有限元分析 J.重型機械， 1996 (3) : 35-39 15 土蘇安 .曲柄連桿試吃剪機機架的有限元分析 J.冶金設(shè)備， 1999 (2) :11-13 16 李陪武，謝春雷 .J53-1600型雙盤摩擦 壓力機機身有限元分析 (I)(II)R 17 史寶軍，鹿曉陽，藍靜等 .J21系列壓力機機身強度剛度計算與分析 J.鍛壓機械 .1993(2):34-35 18 管延錦 .閉式組合機身強度和剛度的研究和優(yōu)化 D:碩士論文 .山東 :山東工業(yè)大學(xué)機械系， 1994 19 史寶軍，豐向軍 .JB21-160型開式壓力機機身有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)選 J.鍛壓機械，1993 (2) 7-10 20 余聯(lián)慶，梅順齊，杜利珍，饒成 .ANSYS在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用 J.中國水運，2007.03 21 Jeffrey M.Steel.Applied Finite Element ModelingJ.New York: Eastan KodakCompany Rochester， 1989 22 張晉紅，吳風林 .有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀 D.山西：太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院， 2003 23 張祖芳，仲太生，許超 .開式壓力機機身輕量化設(shè)計研究 D.南京：東南大學(xué)， 2003 24 何彥忠，林雅杰 .壓力機門式機身有限元分析與校核方法 J.江蘇揚州：江蘇揚力集團精密機床研究所， 2013 25 蔣晨 .基于有限元技術(shù)的板材加工機械優(yōu)化設(shè)計與分析 D.南京：東南大學(xué)， 2005 8 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 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 本課題來源于揚州捷邁鍛壓機械有限公司。 JS-500精整 壓力機為國內(nèi)首創(chuàng)半開、半閉式壓力機， JS-500 精整 壓力機是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品 ,專門用于鍛壓汽車零部件而生產(chǎn)的， 適于薄板的沖載、成形、彎曲、校正、拉深和整形等各種冷沖壓工藝。 要求我們運用有限元分析技術(shù)，對 JS-500 精整 壓力機進行結(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)計算分析的 依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。 2.2 研究的問題 運用有限元分析軟件 ANSYS 對 JS-500精整壓力機 進行有結(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。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。模態(tài)分析可以求出機身振動的固有頻率以及相應(yīng)的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及進而改善其結(jié)構(gòu)有重要的意義，為壓力機的設(shè)計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要內(nèi)容有： (1).前期準備： 收集相關(guān)資料， 查閱中外文獻、請教老師和同學(xué)討論。 學(xué)習(xí)有限元分析軟件，有限元建模、邊界條件的確定、載荷模擬及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場的分析及優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法。 (2).對 JS-500精整壓力機機身進行三維實體建模； (3).了解 JS-500精整壓力機工作性質(zhì)和工作狀態(tài)；對其進行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案 (4).劃分網(wǎng)格，進行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，評價載荷對壓力機工作性能的影響； 9 (5).根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險區(qū)域采取措施