MP160型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計開題報告

廣陵 學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 學 生 姓 名： 劉惠斯 學號 :100007120 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 設計（論文）題目： MP160 型 雙主機大梁沖機身 結構 有限元分析及優(yōu)化設計 指 導 老 師： 鄭 翔 2012 年 3 月 20 日 2 畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、結合畢業(yè)設計（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 國內(nèi)外液壓機發(fā)展狀況 壓力機以其良好的加工工藝性能，廣泛應用在各類機械加工和耐火材料制造企業(yè) 1。其中液壓機是制品成型生產(chǎn)中應用最廣的設備之一。自 19 世界問世以來發(fā) 展很快，已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設備之一。由于液壓機在工作中的廣泛適應性，使其在國民經(jīng)濟各部門獲得了廣泛的應用。如板材成型；管、線、型材擠壓；粉末冶金、塑料及橡膠制品成型；膠合板壓制、打包；人造金剛石、耐火磚壓制和炭極壓制成型；輪軸壓裝、校直等等。各類類型液壓機的迅速發(fā)展，有力的促進了各種工業(yè)的發(fā)展和進步。液壓機是利用帕斯卡定律制成的利用液體壓強傳動的機械。油壓機由主機及控制機構兩大部分組成。油壓機主機部分包括機身、液壓缸及充液裝置等。動力機構由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動機及各種壓力閥和方向閥等組成 。動力機構在電氣裝置的控制下，通過泵和油缸及各種液壓閥實現(xiàn)能量的轉換，調(diào)節(jié)和輸送，完成各種工藝動作的循環(huán) 2。 液壓機作為一種通用的無屑成型加工設備，其工作特點一是動力傳動為 “ 柔性 ” 傳動，不像機械加工設備一樣動力傳動系統(tǒng)復雜，這種驅動原理避免了機器過載的情況；二是液壓機的拉伸過程中只有單一的直線驅動力，沒有 “ 成角的 ” 驅動力，這使加工系統(tǒng)有較長的生命期和高的工件成品率 3。液壓機因具有結構簡單、工藝適應性強、環(huán)境污染小等其他設備不可替代的性能特點，被廣泛應用于汽車制造、航空航天、國防、電力電子、塑 料、機械、冶金和輕工等國民經(jīng)濟的各個領域。影響液壓機質(zhì)量的因素很多，其中液壓機本體的設計水平起著重要的作用。液壓機本體是液壓機的重要組成部分，其重量約占整機重量的 60以上。液壓機本體的設計水平，對液壓機的制造成本、技術性能和使用壽命有著決定性的影響。我國液壓機本體的設計水平還比較落后，研究關于液壓機本體的設計方法，對提高我國液壓機的整體設計水平、增強相關企業(yè)的生存和發(fā)展能力具有重要的現(xiàn)實意義。 世界上第一臺水壓機的發(fā)明標志著現(xiàn)代液壓技術工程應用的開始 ,這是由英國科學家約瑟夫在 1795 年發(fā)明的。由于 早期技術水平的限制即使已經(jīng)發(fā)展了二、三百年的液壓傳動技術在實際中很長一段時間內(nèi)沒有得到廣泛應用 4。在我國，液壓行業(yè)已形成了門類齊全，有一定生產(chǎn)能力和技術水平，初具規(guī)模的生產(chǎn)科研體系。目前全國約有近 300 家企業(yè)，還有液壓研究室（所），國家級液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢測中心以及國家重點實驗室。我國液壓工業(yè)重視同國外企業(yè)進行有效的經(jīng)濟和技術合作，近年來先后從國外引進了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術，為提高產(chǎn)品 3 水平和生產(chǎn)能力起了重要作用。目前已和美國、日本、德國共同建立了某些合資企業(yè)，這些企業(yè)將推動我國液壓工業(yè)的發(fā)展 。 在國外，液壓工業(yè)的發(fā)展速度高于機械工業(yè)。為了滿足用戶的需要，主機品種日益增多，產(chǎn)品更新速度加快，相應要求液壓元件增加品種，實現(xiàn)多樣化，因而液壓件屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品相對減少，大部分屬于成批或小批生產(chǎn)。為適應這種動向，國外生產(chǎn)方式也有所變化。 國內(nèi)、外有些廠家采用可編程控制器控制方式，如天津鍛壓機械廠有近 54的產(chǎn)品裝有 PM。通過采用 Pth 控制，使系統(tǒng)的控制性能和可靠性大大提高。丹麥的紅血們公司采用 SIEMNES 的可編程控制器，實現(xiàn)對壓力和位移的控制。而與國外發(fā)展情況相比，國內(nèi)極少有采用工業(yè)控制機控制方式 的產(chǎn)品，成熟的產(chǎn)品是采用可編程控制器的控制方式 5。 走向二十一世紀的液壓技術不可能有驚人的技術突破，應當主要靠現(xiàn)有技術的改進和擴展，不斷擴大其應用領域以滿足未來的要求。主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面：（ 1）減少能耗，充分利用能量；（ 2）泄漏控制；（ 3）污染控制；（ 4）主動維護，提高故障診斷水平；（ 5）機電一體化；（ 6）液壓 CAD 技術。 1.2 有限元的發(fā)展及現(xiàn)狀 有限元法是計算力學中的一種重要的方法，它是 20 世紀 50 年代末 60 年代初興起的應用教學、現(xiàn)代力學及計算機科學相互滲透、綜合利用的邊緣 科學。有限元發(fā)展至今，已由二維問題擴展到三維問題、板殼問題，由靜力學問題擴展到動力學問題、穩(wěn)定性問題，由結構力學擴展到流體，力學、電磁學、傳熱學等學科，由線性問題擴展到非線性問題，由彈性材料擴展到彈塑性。塑性、黏塑性和復合材料，從航空技術領域擴展到航天、土木建筑、機械制造、水利工程、造船、電子技術及原子能等。由單一物理場的求解擴展到多物理場的耦合，其應用的深度和廣度都得到了極大地拓展 6。 有限元法的基本思路是將計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點 ,將微 分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式 ,借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解 7。 有限元法是 R.Courant于 1943年首先提出的 8。自從提出有限元概念以來 ,有限元理論及其應用得到了迅速發(fā)展。過去不能解決或能 ； 解決但求解精度不高的問題 ,都得到了新的解決方案。 傳統(tǒng)的 FEM假設 ： 分析域是無限的 ； 材料是同質(zhì)的 ,甚至在大部分的分析中認為材料是各向同性的 ；對邊界條件簡化處理。但實際問題往往是分析域有限、材料各向異性或邊界條件難以確定等 9。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 10。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的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復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 學研 4 究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發(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)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費 111213。 在有限元法應用領域不斷擴展、求解精度不斷提高的同時 , 有限元也從分析比較向優(yōu)化設計方向發(fā)展 14。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 對拖拉機前橋進行優(yōu)化設計 ,結果不但降了約 40%的前橋自重 ,還避免了在制造過程中的大量焊接工藝 ,降低 了生產(chǎn)成本。有限元在國內(nèi)的應用也十分廣泛。自從我國成功開發(fā)了國內(nèi)第一個通用有限元程序系統(tǒng) JIGFEX 后 ,有限元法滲透到工程分析的各個領域中 ,從大型的三峽工程到微米級器件都采用有限元進行分析 15-16,在我國經(jīng)濟發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。 有限元的發(fā)展趨勢：（ 1）與 CAD 的無縫合成（ 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）由單一結構場求解發(fā)展到耦合場問題求解 （ 5）程序面向用戶具有開放性。 1.3 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 是一款以有限元分析為基礎的大型通用 CAE軟件 ,是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 CAD 工具之一，該軟件是由美國 ANSYS 公司研制開發(fā)的融結構、流 體、熱、聲、電磁等學科于一體的大型通用有限元分析軟件 17。 在 ISO9001 國際質(zhì)量體系認證中， ANSYS 軟件是第一個通過認證的大型分析設計類軟件。它對包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解、后處理 、優(yōu)化設計等在內(nèi)的模塊都具有一體化的處理技術 18。 ANSYS 中的 Structral 模塊提供了完整的結構分析功能，包括幾何非線性材料非線性各種動力分析等計算能力，此程序包在結構分析方面具有強大的功能。在實際生產(chǎn)過程中， 常常會遇到各種各樣的機械結構分析問題：如機械結構受力，變形及內(nèi)部應力情況等等利用 ANSYS 軟件對機械模進行仿真模擬計算，通過應力應變云圖直觀展示構件的性能特點，從而為解決機械結構中常見的問題提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的結構優(yōu)化設計是由設計者提供幾個不同的設計方案，從中比較，挑選出最優(yōu)的方案。這種方法，往往是建立在設計者的經(jīng)驗的基礎上，再加上資源時間的限制，提供的可選方案個數(shù)有限，往往不一定是最優(yōu)的方案。如想獲得最佳的方案，就要提供更多的設計方案進行比較，這就需要大量的資源，單靠人力往往難以做到 19。將 ANSYS 用于結構設計中，設計人員可以根據(jù)仿真分析的結果進一步了解機構的性能特點，主動地尋求最佳設計方案，使產(chǎn)品的設計更為合理，從而有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能20。 一個典型的 ANSYS 分析過程可分為以下三個步驟：（ 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)點及單元）；（ 2）施加載荷進行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；（ 3）查看結果。包括查看分析結果；檢驗分析是否正確。壓力機的可靠性、安全性、加工精度和使用壽命等是機床結構設計和機床運行應考慮的主要問題，基于此，利 用solidworks 和 ANSYS 軟件對壓力機進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應應分析，通過分析得出壓力機的靜剛度、前六階振型及固有頻率，為評價壓力機的動靜態(tài)特性以及后面的設計改造提供了 5 實驗數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機設計改進提供了參考 21。 參考文獻 ： 1 董建興 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D秦皇島：燕山大學材料加工工程專業(yè)碩士學位論文， 2005-11-26. 18 馮明益 .車輪模鍛液壓機新式結構研究 D.燕山大學材料加工工程專業(yè)碩士學位論文， 2013.5 19 劉云平 ，包華，陳明 .ANSYS 軟件的優(yōu)化分析介紹 D.南通大學建筑工程學院 .0000-2157/SG（ 2010） 04-0053-05. 20 黃一江 ANSYS 結構優(yōu)化設計在機械設計中的應用 J應用技術， 2013（ 4). 21 王亞利 .ANSYS 軟件在機械結構分析中的應用 M佛山職業(yè)技術學院， 1006-4311（ 2014）03-0203-02. 6 畢業(yè)設計（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 課題來源 本課題來源于江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司。 MP160 型 壓力 機是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運用有限元分析技術對 MP160 型 壓力機進行結構分析并給出優(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)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。 2.2 課題分析（研究或解決的問題） 運用有限元分析軟件 ANSYS 對 MP160 型 壓力機 進行有結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。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)分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產(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的振型，分析各種振型對液壓機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為液壓機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務內(nèi)容有： 對 MP160 型 壓力機機身 進行三維實體建模； (1) 了解 MP160 型 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； (2) 劃分網(wǎng)格，進行有限元結構靜態(tài)分析，求出機身的應力和應變分布規(guī)律， 評價載荷對壓力機工作性能的影響； (3) 對 機身 模型進行自由模態(tài)分析，求解 機身 固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作狀況的影響； (4) 根據(jù)分析結果，在應力集中危險區(qū)域采取措施改善應力狀況；在低應力區(qū)域，改變相關尺寸變量，以達到減輕部件總體質(zhì)量的目的。重新進行有限元分析，檢驗改變尺寸后的剛度和強度。重復進行以上步驟，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 MP160 型壓力機的三維模型； (3) 將精整壓力機的模型導入 ANSYS 軟件； (4) 添加材料特性：機身材料是 Q235A,密度 =7800 /m3； (5) 對單元進行網(wǎng)絡劃分，遵循 “均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ”的原則； (6) 對模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； (7) 對壓力機進行加載：設備在工作時承受兩個相反方向的載荷，機身所受載荷簡化為對機身的兩個方向的均布載荷； (8) 對壓力機進行應力場分析； (9) 分析壓力機在加載情況下機身變形情況以及應力和應變分布規(guī)律； (10) 對機身結構進行結構靜態(tài)分析優(yōu)化，評價載荷對壓力機工作性能的影響，從而選擇合適的機身 7 尺寸和材料厚度，盡量減輕機身的重量； (11) 對壓力機進行自由模態(tài)分析，