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

JS-500精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及改進設(shè)計 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年 6月 1日 揚州大學(xué)廣陵學(xué)院 I 摘 要 有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等 ANSYS 技術(shù)的應(yīng)用，對于降低制造成本，提高經(jīng)濟效益具有重要的意義。本文以 JS-500 精整壓力機機身作為研究對象， 運用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 對 JS-500 精整壓力機進行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以主要內(nèi)容有： （ 1） 分析了解 JS-500 精整 壓力機工作狀態(tài)和性能。 （ 2） 對機身結(jié)構(gòu)進行三維實體建模。 （ 3） 分析曲軸的受力情況和強度校核，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，求出機身應(yīng)力分布規(guī)律和載荷對其工作性能的影響，并對機身進行優(yōu)化設(shè)計。 （ 5） 對壓力機進行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，求解其固有頻率以及相應(yīng)的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作狀況的影響 。最后對論文的研究內(nèi)容進行了總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞 ：壓力機，有限元分析，靜態(tài)分析，優(yōu)化設(shè)計，模態(tài)分析 II Abstract The application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the economic benefit is of great importance. Finishing press frame based on the JS - 500 as the research object, using the finite element analysis software ANSYS Workbench to JS - 500 sizing press has a structural static analysis, the structure optimization design to the main contents are: (1) The sizing press JS 500 is analysed, and its working state and performance. (2) The fuselage structure of 3 d entity modeling. (3) Analysis of crankshaft stress distribution and intensity, the analysis on the working load, boundary conditions and loading plan. (4) Mesh, finite element structural static analysis, the stress distribution and the fuselage and load on its working performance, and optimize the fuselage design. (5) For press freedom modal and constraint modal analysis, to solve the natural frequencies and corresponding vibration mode, dynamic parameters, such as analysis of its influence on working conditions. Finally, the paper research content is summarized and prospected. Keywords: press machine, finite element analysis, static analysis, optimization design, model analysis III 目 錄 摘 要 . I Abstract. II 目 錄 . III 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機的概述 . 1 1.2 國內(nèi)外壓力機的發(fā)展 . 1 1.3 課題來源 . 3 1.4 本課題研究的目的及意義 . 3 1.5 本課題的研究內(nèi)容 . 3 1.6 本章小結(jié) . 4 第二章 有限元方法及 ANSYS 軟件簡介 . 5 2.1 有限元方法簡介 . 5 2.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 . 6 2.3 ANSYS 模態(tài)功能介紹 . 7 2.4 有限元分析軟件 ANSYS Workbench 簡介 . 7 2.5 本章小結(jié) . 8 第三章 壓力機機身靜態(tài)分析 . 9 3.1 機身靜力學(xué)分析過程簡要流程 . 9 3.2 三維實體建模 . 9 3.3 有限元模型的建立 . 10 3.4 制定分析方案 . 11 3.4.1 考慮的因素 . 11 3.4.2 單元類型 . 12 3.4.3 網(wǎng)格劃分 . 12 3.4.4 接觸設(shè)置 . 13 IV 3.4.5 施加邊界條件 . 14 3.5 計算結(jié)果分析 . 15 3.5.1 應(yīng)力和變形要求 . 15 3.5.2 結(jié)果分析 . 17 3.5.3 應(yīng)力分析 . 19 3.5.4 變形分析 . 19 3.6 本章小結(jié) . 19 第四章 機身結(jié)構(gòu)改進 . 21 4.1 優(yōu)化分析 . 21 4.2 優(yōu)化方案一 . 21 4.3 優(yōu)化方案二 . 24 4.4 優(yōu)化方案三 . 27 4.5 優(yōu)化方案四 . 30 4.6 選擇最佳優(yōu)化方案 . 33 4.7 本章小結(jié) . 33 第五章 機身的模態(tài)分析 . 34 5.1 模態(tài)分析概述 . 34 5.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) . 34 5.1.2 模態(tài)分析原理 . 34 5.2 對機身進行模態(tài)分析 . 35 5.2.1 自由模態(tài)描述分析 . 35 5.2.2 約束模態(tài)描述分析 . 37 5.3 本章小結(jié) . 43 第六章 結(jié)論和展望 . 45 6.1 總結(jié) . 45 6.2 展望 . 45 致謝 . 47 V 參考文獻 . 48 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 1 第一章 緒論 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。 1.2 國內(nèi)外壓力機的發(fā)展 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 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 2 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。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?？焖?、工作可靠、噪聲低、防護完善、精度高。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 3 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。 1.3 課題來源 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。 1.4 本課題研究的目的及意義 近年來，由于我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機特別是開式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，研究的方向不但在壓力機機身上，而且已轉(zhuǎn)移到整個壓力機裝配上，在研究的手段上不但是計算機仿真，而且應(yīng)用了許多有效的實驗?zāi)M裝置。我國壓力機的分析水平還不高，對機身的有限元分析很多都局限于靜態(tài)分析，而從動態(tài)方面來研究做得很少 。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)與機床技術(shù)的結(jié)合，強烈要求分析設(shè)計內(nèi)容完善化、目標(biāo)最優(yōu)化、過程動態(tài)化、使機床加工高速化、加工過程自動化和柔性化。并且具有可靠性和經(jīng)濟效益。只有這樣才能提高我國機床的產(chǎn)品質(zhì)量和國際競爭力，推動我國名族工業(yè)的生產(chǎn)。 1.5 本課題的研究內(nèi)容 （ 1）前期準(zhǔn)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 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 4 （ 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； （ 5）根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險區(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(fù)進行以上步驟，直到獲取最佳方案。 （ 6）對壓力機進行模態(tài)分析，得到機身結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作的狀況的影響。 1.6 本章小結(jié) 本章 主要介紹了課題的研究背景，課題來源，研究目的和要求。這章內(nèi)容是論文的重要組成部分，是本論文寫作的背景來源。這需要我們在做畢業(yè)設(shè)計之前首先去閱讀并加以理解，然后貫穿于整個設(shè)計過程中。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 5 第二章 有限元方法及 ANSYS軟件簡介 2.1 有限元方法簡介 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、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(zhǔn)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 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 6 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。 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(dāng)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 ,還使用戶能夠擺脫手工網(wǎng)格劃分、逐點輸入結(jié)點坐標(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。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 7 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。 2.3 ANSYS 模態(tài)功能介紹 ANSYS 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。包括參數(shù)定義、實體建模、網(wǎng)格劃分。 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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。在次階段，我們進行 分析類型定義、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項。 后處理模塊可將計算結(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，可以運行在從個軟件提供了 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，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如 PC， SGI， HP，SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 2.4 有限元分析軟件 ANSYS Workbench簡介 軟件接口 ，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共 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 。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 享和交換，如 Pro/Engineer, I DEAS, AutoCAD 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 8 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級 CAE 工具之一。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中 CAE軟件 的異構(gòu)問題。面對制造業(yè)信息化大潮、 仿真軟件 的百家爭鳴雙刃劍、企業(yè)智力資產(chǎn)的保留等各種工業(yè)需求， ANSYS 公司提出的觀點是：保持 核心技術(shù) 多樣化的同時，建立協(xié)同仿真環(huán)境。 與傳統(tǒng) ANSYS 對比， Workbench 與其主要功能大致相同，有以下幾點： 1）結(jié)構(gòu)分析。用于分析結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變 和反力等。結(jié)構(gòu)分析包括靜力分析、動力學(xué)分析。 2）熱分析。熱分析通過模擬熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種熱傳遞方式，已確定物體的溫度分布?？梢赃M行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，可以進行線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過程。 2.5 本章小結(jié) 對本設(shè)計過程所需要的理論依據(jù)，工具等作了簡單介紹，詳細的請讀者參閱有關(guān)參考文獻。貫穿設(shè)計過程中的思想是有限元法，在設(shè)計的后半部分，還要用到優(yōu)化設(shè)計方法。其中，將有限元法應(yīng)用到實際中去需要借助有限元分析軟件 ANSYS Workbench，它是必不可少的工具。 所以，在進行機械設(shè)計的過 程中一定要選對研究方法和研究工具，掌握研究對象特點，這樣才能在設(shè)計過程中有條不紊地完成每一個部分的設(shè)計內(nèi)容，最終順利完成設(shè)計內(nèi)容，交出一份高質(zhì)量的設(shè)計報告。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 9 第三章 壓力機機身靜態(tài)分析 3.1 機身靜力學(xué)分析過程簡要流程 3.2 三維實體建模 SolidWorks 軟件采用了特征建模技術(shù)和設(shè)計過程的全相關(guān)技術(shù)，是目前領(lǐng)先的、主流的三 維 CAD 軟件。它具有配置管理、協(xié)同工作、零件建模、裝配設(shè)計、全相關(guān)工程圖、鈑金設(shè)計、有限元分析和動態(tài)仿真等 多項功能， 它為廣大用戶提供了多種多樣的設(shè)計過程專用工具。對于焊件設(shè)計，可以使用直 觀的布局方法來迅速獲取設(shè)計意圖。通過利用焊縫、角撐板、頂蓋和切割清單，迅速完成焊件設(shè)計和文檔。它還包含功能強大的鈑金工具，用于在折疊或展開狀態(tài)創(chuàng)建高級鈑金設(shè)計。該模塊自動應(yīng)用所有鈑金特性（如金屬厚 度、折彎半徑和折彎釋放槽），并自動完成法蘭、切口、放樣的折彎、展開、正交切除、角切除、正交處理、褶邊、 轉(zhuǎn)折等的創(chuàng)建過程。借助 SolidWorks 軟件，用戶可以靈活地在一個文檔中創(chuàng)建零件、裝配體和工程圖的多個版本， 由此最大程 度地提供重用機會。 實體模型是在 Solidworks 中建立的，因為本人認為 Solidworks 建模方便快捷，而且可以利用 ANSYS Workbench 與 Solidworks 的接口技術(shù)快速得將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 進行分析。 機身由前、中、后三塊板，左、右側(cè)兩塊板，以及一個工作臺組成。其中，前對機身結(jié)構(gòu)進行必要簡化，用 Solidworks 軟件對機身進行實體建模 。 將模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 軟件中，進行有限元分析。 對分析結(jié)果進行觀察與總結(jié)，以便后續(xù)的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 10 面的板上有一半徑 340 的上半圓孔和半徑 310 的下半圓孔，中間板上有一 380的孔，并與半徑 340 的半圓孔是同心的，用來支撐壓力機曲柄滑塊機構(gòu)中的曲軸。 建模時，必須對實體模型進行改造。壓力機機身結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 不可能將所有復(fù)雜因素都考慮在內(nèi)，不可能使有限元模型的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣完全與事實相符。 簡化建模的原則為，在盡量保留重要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將不影響分析的結(jié)構(gòu)去除，并且不考慮倒角、圓角、凸臺、螺釘孔等結(jié)構(gòu)。 機身是壓力機的一個基本支撐部件，工作時要承受全部工作變形力。因此，機身的合理設(shè)計對減輕壓力機重量，提高壓力機剛度，以及減少制造工時，都具有直接的影響。機身分為兩大類：即開式機身和閉式機身。機身結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種。 JS500 壓力機機身為半開半閉的焊接加螺栓結(jié)構(gòu)，左右基本對稱。 JS500 的主要技術(shù) 規(guī)格如下 型 號 : JS-500； 公 稱 壓 力 : 5000KN； 公稱壓行程： 8mm； 滑塊行程長度： 300mm； 滑塊行程次數(shù)： 30； 工件臺面尺寸： 前后方向 1100； 左右方向 1200； 工件臺面板厚： 200； 機身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 3.3 有限元模型的建立 為了進行有限元分析，必須對于實體模型進行改造，使之成為很多微小的單元和節(jié)點的組合，這樣的模型稱為有限元模型。其建立包括定義單元屬性，劃分網(wǎng)格生成單元以及添加邊界條件 等步驟。 簡化時，應(yīng)根據(jù)分析類型，只考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來建立機身的簡化模型，因此對于某些結(jié)構(gòu)凸臺、螺釘孔、銷孔、圓角等予以忽略。主板和主墊板、隔板、拖動架、滑塊之間用螺栓連接，可視為一個整體。簡化后機身實體幾何模型如圖 3-1 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 11 所示。 圖 3-1 壓力機實體模型 總體積為 3.5484 3m ，總重量為 27677kg。 3.4 制定分析方案 3.4.1 考慮的因素 主要包括： 1) 幾何模型對稱性：考察結(jié)構(gòu)是否具有對稱、反對稱、軸對稱的特性，以縮減分析模型的規(guī)模。 2) 幾何 模型細節(jié)：結(jié)合分析領(lǐng)域和問題的類型，考慮幾何模型的細節(jié)是否可做簡化處理，如模型的小孔、倒角、小的突起等。 3) 問題定性：確定分析問題是線性還是非線性問題，如果是非線性問題，進一步確定是哪一類非線性，如幾何非線性、材料非線性還是接觸非線性。 4) 單元類型：依據(jù)涉及的物理場、模型的形狀、單元的階次、求解的時間等因素來選定合適的單元類型。 5) 網(wǎng)格劃分 :需要在耗費工時、計算規(guī)模和求解精度之間綜合衡量，從而選定合理的網(wǎng)格劃分方式和網(wǎng)格密度。 6) 載荷：考察選擇哪一類型載荷和加載方式能與實際工況盡可能地等效，載荷施加盡量不做簡化處理 。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 12 7) 求解器：結(jié)合分析問題類型、硬件資源 、 求解時間和精度，選擇最優(yōu)的求解算法。 3.4.2 單元類型 根據(jù)對本課題的分析及研究，確定壓力機結(jié)構(gòu)有限元分析屬于結(jié)構(gòu)分析中的靜力分析問題。幾何模型結(jié)構(gòu)具有對稱性，是左右對稱的。由于壓力機模型是從外部導(dǎo)入產(chǎn)生的，因此，幾何模型細節(jié)的簡化處理已經(jīng)考慮過了。 三維實體是由帶有二次狀態(tài)方程的高階四面體或六面體實體單元進行網(wǎng)格劃分的。在這里選擇的是四面體實體單元 Solid92，如圖 3-2。該單元有 10 個節(jié)點，每一個節(jié)點有三個自由度， 單元具有塑性、膨脹性、應(yīng)力剛化、大變形以及大 應(yīng)變的能力。 圖 3-2 Solid92 單元 3.4.3 網(wǎng)格劃分 利用 ANSYS Workbench 的智能尺寸網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分器 Meshing tool 對將要劃分網(wǎng)格的體上的所有線估算單元邊長大小，對幾何體上的彎曲近似區(qū)域的線進行細化，自動生成合理形狀的單元和單元尺寸分布。通過基本控制和高級控制可以設(shè)置網(wǎng)格劃分的智能尺寸，本人將網(wǎng)格尺寸選擇為 40mm，精度為 100，畸變度選擇 0.3。網(wǎng)格劃分后共產(chǎn)生 84456 個單元， 155317 個單元節(jié)點。 精度越高，網(wǎng)格的質(zhì)量也越好。當(dāng)然，復(fù)雜幾何區(qū)域的網(wǎng)格單 元會變扭曲。劣質(zhì)的單元會導(dǎo)致劣質(zhì)的結(jié)果，或者在某些情況無結(jié)果 。 有很多方法來檢查單元網(wǎng)格質(zhì)量 (mesh metrics*)。例如，一個重要的度量是單元畸變度（ Skewness ）。畸變度是單元相對其理想形狀的相對扭曲的度量，是一個值在 0 (極好的 ) 到 1 (無法接受的 ) 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 13 之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機身如圖 3-3 所示。 圖 3-3 機身網(wǎng)格劃分 3.4.4 接觸設(shè)置 壓力機軸承孔與滑動軸承外圈之間的相對運動是接觸問題，接觸問題需要定義接觸對，在壓力機身有限元分析中存在兩個軸承孔，因此需要定義兩個接觸對。在分析之前，要先在每個軸承孔內(nèi)分別建一個半軸。建一半的軸就可以了，原因是既不影響分析，又方便添加載荷。設(shè)置接觸對的壓力機機身如圖 3-4 所示。 圖 3-4 接觸對設(shè)置 在兩個表面的接觸問題中，一個面一般被作為 “ 目標(biāo)面 ” 來建立，另一個作為 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 14 “ 接觸面 ” 。對于一個固定，一個滑動的接觸來說，目標(biāo)面是固定的，接觸面是滑動的；對于兩個都滑動的接觸來說，接觸面和目標(biāo)面都與變形體相聯(lián)系。這兩個面一起被稱為 “ 接觸對 ” 。 Workbench中提供了五種接觸類型，單從字面上很難理解這幾種接觸的區(qū)別，下面對其中兩種常用接觸類型加以解釋。 Bonded(綁定 )。這是關(guān)于接觸的默認設(shè)置。如果接觸區(qū)域設(shè)置為綁定，不允許面和線間間有相對滑動或分離?？梢詫⒋藚^(qū)域看作被連在一起。因為接觸長度 /面積是保持不變的，所以這種接觸可以用作線性求解。如果接觸是從數(shù)學(xué)模型中設(shè)定的，程序?qū)⑻畛渌械拈g隙，忽略所有初始滲透。 No Separation（不分離）。這種接觸方式和綁定類似。它只適用于面。不允許接觸區(qū)域的面分離，但是沿著接觸面可以有小的無摩擦滑動。 在這里選擇 TARGE169和 CONTA171接觸對。由于軸承與軸承孔之間的接觸可能存在小的相對滑動，所以選 擇 “ No Separation” 類型。其他的幾個接觸要求沒有相對運動，效果相當(dāng)于固連起來的，所以選擇 “ Bonded” 類型。 3.4.5 施加邊界條件 （ 1）載荷的施加 壓力機的公稱壓力是 5000KN，但由于實際應(yīng)用中載荷并不是由零緩慢增加，在沖壓工件時具有一定的加速度，機身實際上受到的是動荷作用，故應(yīng)在靜載荷上乘以一個動荷系數(shù) 1.20，即 6000KN。分析其應(yīng)力和變形時，取其公稱壓力為機身的外載荷。機身在工作時承受兩個方向的載荷，一個是作用在曲軸支撐孔上，方向向上；另一個是作用在工作臺上，方向向下。兩者大小 相等，方向相反。工作臺上的載荷是均布載荷的形式作用于機身上，二軸承孔上的載荷是通過加載到半軸上的載荷通過接觸的設(shè)置，間接傳遞到軸承孔上，這樣能夠真實地反應(yīng)軸承孔的受力。 （ 2）工作臺及曲軸支撐孔上載荷的處理 工作臺及液壓缸上載荷的處理 工作臺上的載荷按均布載荷處理，其大小計算如下： P=F*1.2/A 其中： F公稱壓力 A受力面積 6000KN 的動載荷平均分布在工作臺上，則 P=5000KN*1.2/（ 1100mm*1200mm） 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 15 =4.55MPa 前面板上的軸承孔由于軸的作用受到 向上的力 F1=3000KN，力施加在軸的左端，A= *340*60，因此前面的軸承孔受到壓力為 P1=46.8MPa。同理，中間板上的軸承孔受到壓力為 P2=10.5MPa。 （ 3） 約束條件 JS-500精整壓力機機座的邊界約束條件是通過地腳螺釘與地面相連的全約束，即可近似模擬其實際位移狀態(tài)，圖 3-6反映了 ANSYS Workbench中施加外力載荷和進行邊界約束。 如圖 3-5所示。 圖 3-5 施加約束 3.5 計算結(jié)果分析 3.5.1 應(yīng)力和變形要求 （ 1） 變形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2） 應(yīng)力要求：材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的失效形式為屈服失效。因而在強度分析中采用第三強度理論或第四強度理論。第三強度理可以較為滿意地解釋塑性材料的屈服現(xiàn)象，例如低碳鋼拉伸屈服時，沿著與軸線成 45 度方向出現(xiàn)滑移線，而這一方向斜面上的切應(yīng)力也是最大。由于這一理論形式簡單，概念明確，且計算結(jié)果偏于安全，故在工程中廣泛應(yīng)用。但是這一強度理論未考慮主應(yīng)力 2 對屈服的影響。第四強度理論認為形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即認為無論在什么應(yīng)力狀態(tài)， 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 16 只要形狀改變比能 dv 達到某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸屈服時其屈服應(yīng)力為s，相應(yīng)的形狀改變比能由式 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 3d vv E （ 3-1） 求出為（ 1+） s2/(3E)，這即為形狀改變比能的極限值。于是屈服判據(jù)為 216dsv E （ 3-2） 在任意應(yīng)力狀態(tài)下，形狀改變比能為 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 6d vv E （ 3-3） 代入前式可得以主應(yīng)力表示的屈服判據(jù) 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 s （ 3-4） 相應(yīng)的強度條件為 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 （ 3-5） 一些試驗表明 ，這一強度理論可以較好的解釋和判斷材料的屈服。由于全面考慮了三個主應(yīng)力的影響，所以比較合理，它比最大切應(yīng)力理論更符合實驗結(jié)果。 在這里本人選擇用第四強度理論。機身材料為 Q235，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 1.47，則 =s/安全系數(shù)=235/1.47=160MPa 所以有限元分析得出的結(jié)構(gòu)要求最大應(yīng)力必須小于許用應(yīng)力 =160MPa。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 17 3.5.2 結(jié)果分析 1） Von Mises應(yīng)力等值線圖（單位： MPa以下相同） 圖 3-6 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 2） X 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-7 X 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 18 3） Y 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-8 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-9 Z 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 19 5） 總變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-10 總變形圖 3.5.3 應(yīng)力分析 由 Von Mises 應(yīng)力等值線圖可以看到，最大應(yīng)力為 136.14MPa，最小應(yīng)力很小，這么小的應(yīng)力可以忽略不計。按第四強度理論 max 。其中 =160MPa 這是前面已經(jīng)計算過了的，應(yīng)力滿足條件。 3.5.4 變形分析 由變形圖可以看到最大變形量是 1.252mm， X 方向的最大變形量是 0.13675mm，Y 方向的最大變形量是 0.84708mm， Z 方向的最大變形量是 1.2415mm。最小變形量是 0mm。變形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。由數(shù)據(jù)可以看出，顯然是不滿足要求的。 3.6 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是詳細介紹在設(shè)計過程中的三維實體模型的建立，確定有限元 分析中的單元選擇，網(wǎng)格劃分方法，載荷的施加，約束的施加，接觸的設(shè)置以及用分析軟件對模型進行分析并得出結(jié)論。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 20 本章介紹了模型建立過程中的注意點以及簡化模型建立的原則，讓讀者能了解三維實體建模的整個過程。在有限元分析得出分析圖之后，通過 XYZ 三個方向的變形以及應(yīng)力圖，來判斷所建模型是否滿足強度和剛度的要求，如果不滿足則需要改進機構(gòu)，假如滿足要求了，還要從節(jié)省材料成本的角度上看，在不影響壓力機功能的前提下是否可以去除一些不必要的部分。有限元分析是都是不考慮圓角和倒角的，所以還要將應(yīng)力集中問題考慮在內(nèi)。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 21 第四章 機身結(jié)構(gòu)改進 4.1 優(yōu)化分析 一般來說，正規(guī)的設(shè)計方法，往往取決于各種因素的作用，提出一種初始方案，然后對其進行數(shù)值分析，使其滿足強度、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)濟而具有競爭力。 機身的優(yōu)化原則是：通過改變機身板的厚度，應(yīng)用 ANSYS 計算出機身最大應(yīng)力，并滿足應(yīng)力和變形要求：應(yīng)力： 160MPa。變形： x1mm y1mm z1mm。 4.2 優(yōu)化方案一 由圖所示， Y、 Z 方向變形比較大， X 方向變形比較小。所以針對 Y、 Z 方形變形，在中間板的圓柱凸臺上加上四根加強筋，以減小其方向上的變形。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-1 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 22 2） X 方向變形圖 圖 4-2 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-3Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 23 4） Z 方向變形圖 圖 4-4 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-5 總變形圖 優(yōu)化方案一的最大應(yīng)力為 137.33MPa， Y 方向的變形減小了 0.30253mm， Z 方向的變形減小了 0.1319mm， X 方向的變形略微減 小。但變形量依舊過大，不符合要求。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 24 4.3 優(yōu)化方案二 根據(jù) Z 方向的變形過大的問題，所以減小中間板上凸圓的長度至 300mm，同時加強筋的長度也隨之減小到 230mm。以此達到減小 Z 方向變形量過大的目的。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-6 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 25 2） X 方向變形圖 圖 4-7 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-8 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 26 4） Z 方向變形圖 圖 4-9 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-10 總變形圖 通過優(yōu)化 Z 方向的變形明顯變小 ，最大為 0.74213mm。壓力機的總變形小于1mm，該壓力機合格。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 27 4.4 優(yōu)化方案三 由方案二可知，在明顯確保壓力機合格的前提下，可以看出前板的厚度偏厚，浪費的材料?？紤]到材料的節(jié)省問題，將 120mm的前板改為 80mm，再在其后加強小塊厚 60mm的板塊。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-11 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 28 2） X 方向變形圖 圖 4-12 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-13 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 29 4） Z 方向變形圖 圖 4-14 Z 方向變形圖 5） 總變 形圖 圖 4-15 總變形圖 雖然變形量略微變大，但仍在合理范圍內(nèi)。而在保證了壓力機合格條件的同時， 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 30 質(zhì)量減小到 25912kg，大大的節(jié)省了材料。 4.5 優(yōu)化方案四 由于壓力機機身的強度和剛度都達到了要求，現(xiàn)在就是考慮如何減輕質(zhì)量，在機身強度和剛度依然滿足要求的前提下。所以，減小底座的面積，進一步的減少材料。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-16 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 31 2） X 方向變形圖 圖 4-17 X 方向變形圖 5） Y 方向變形圖 圖 4-18 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 32 4） Z 方向變形圖 圖 4-19 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-20 總變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 33 方案四的最大變形量為 0.98281mm，仍然滿足最大變形量小于 1mm 的條件。并且最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。同時最大程度的減小了質(zhì)量，節(jié)省了材料。 4.6 選擇最佳優(yōu)化方案 將四個優(yōu)化方案的最大應(yīng)力，最大變形以及質(zhì)量的減少量進行對比，選擇最優(yōu)化方案。如表 4-1 所示。 表 4-1 優(yōu)化方案數(shù)據(jù) 方案 最大應(yīng)力 (MPa） 最大變形 (mm) 質(zhì)量減小量 (kg) 優(yōu)化方案一 137.33 1.228 -125 優(yōu)化方案二 137.82 0.7576 183 優(yōu)化方案三 134.19 0.89737 1765 優(yōu)化方案四 55.217 0.98281 2108 經(jīng)過比較得知，方案四節(jié)省的材料最多，而且應(yīng)力應(yīng)變也在合理范圍內(nèi)，所以這個方案是在機身強度剛度下降的前提下進行的。優(yōu)化方案三的應(yīng)力和變形也是符合條件的，但是卻沒有達到節(jié)材料的目的。由于在計算軸承孔受力的時候，已經(jīng)考慮考了動載荷系數(shù)和安全系數(shù)，所以只要應(yīng)力和應(yīng)變滿足許用條件即可，因而從降低成本的角度考慮，選擇優(yōu)化方案四。 4.7 本章小結(jié) 優(yōu)化設(shè)計最重要的是遵循優(yōu)化準(zhǔn)則， 優(yōu)化設(shè)計中評定方案是否達到最優(yōu)，通常會用產(chǎn)品設(shè)計中的某項或幾項設(shè)計指標(biāo)，如質(zhì)量指標(biāo)、性能指標(biāo)、重量指標(biāo)、或成本指標(biāo)。原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形較小 , 其結(jié)構(gòu)尺寸有減小的余地。優(yōu)化后的壓力機機身雖然變形有所增大 , 但總體較小 , 而應(yīng)力比原來的有所降低 , 更有利于應(yīng)力場的均勻化 。 改進后的箱體重量降低 2108kg?？梢暂^大地降低成本 , 大大提高經(jīng)濟效益。 優(yōu)化設(shè)計過程中最重要的是要掌握設(shè)計方法，不僅能提高效率，而且可以設(shè)計出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品。 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 34 第五章 機身的模態(tài)分析 5.1 模態(tài)分析概述 5.1.1 模態(tài)分析理論基 礎(chǔ) 假設(shè)系統(tǒng)是線性、定常與穩(wěn)定的線性時不變系統(tǒng)。振動系統(tǒng)從空間角度分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)，從時間角度分為連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)。研究步驟分為三步：建立結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)模型，即以質(zhì)量、阻尼、剛度為參數(shù)的關(guān)于位移的振動微分方程；研究其特征值和特征矢量，得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型；通過研究受迫動力響應(yīng)問題，可得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型。 隨著壓力機工作速度的提高，其動態(tài)性能和振動問題的分析愈來愈重要。單純的靜態(tài)設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計已不能完全滿足工程實際的要求。模態(tài)分析通過確定多自由度系統(tǒng)的固有頻率、固有振型、模態(tài)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)估它在工作狀態(tài)下的振動情況，并且能夠發(fā)現(xiàn)過大的振動、過高的噪聲等一些不正常的響應(yīng)。通過模態(tài)分析，可識別載荷的譜別和來源，找出有害的振型和節(jié)點位置，在此基礎(chǔ)上通過改變系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu) ,使系統(tǒng)按所要求的方向改變其動態(tài)特性，從而達到符合要求的動態(tài)強度、動態(tài)剛度的要求。工程結(jié)構(gòu)要具有與使用環(huán)境相適應(yīng)的動力學(xué)特性。一個機床結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的基本著眼點不光是其強度、剛度方面的靜態(tài)特性，而且應(yīng)該注意彎曲和扭轉(zhuǎn)方面的動態(tài)性能。如果機床動力學(xué)特性不能與其使用環(huán)境相適應(yīng)，即結(jié)構(gòu)模態(tài)與激勵頻率耦合會使機床產(chǎn)生共 振，嚴重時會使整個機床發(fā)生抖振，機床噪聲過大，局部產(chǎn)生疲勞破壞等。 5.1.2 模態(tài)分析原理 將 線性定常微分方程 組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨立 方程 ，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的矩陣 為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)陣型。 模態(tài)分析 最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù) 。 因為結(jié)構(gòu)振動特性決定了其對于任何動力載荷的響應(yīng)，所以在進行其他任何動力學(xué)分析之前，建議先進行模態(tài)分析。 振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的 、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié) 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 35 構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。 模態(tài)分析技術(shù)從 20世紀 60年代后期發(fā)展至今已趨成熟，它和有限元分析技術(shù)一起成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)的兩大支柱。模態(tài)分析作為一種 “逆問題 ”分析方法，是建立在實驗基礎(chǔ)上的，采用實驗與理論相結(jié)合的方法來處理工程中的振動問題。 5.2 對機身進行模態(tài)分析 為了知道機身結(jié)構(gòu)在某一受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特 性，測出在此頻率段內(nèi)各種振源作用下壓力機機身的共震響應(yīng)，需要對機身進行自由模態(tài)分析。 5.2.1 自由模態(tài)描述分析 通過 ANSYS Workbench對機身進行模態(tài)分析，由于該壓力機前六階為剛體模態(tài)，所以前六階的頻率幾乎為 0。圖 5-1 至圖 5-4 是機身 自由 模態(tài)分析的前十階振型 圖 。表 5-1 為其自由模態(tài)下振型變化。 圖 5-1 一階 自由 模態(tài) 振型 圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 36 圖 5-2 二階 自由 模態(tài) 振型 圖 圖 5-3 三階 自由 模態(tài) 振型 圖 周鵬 JS-500 精整壓力機 機身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進設(shè)計 37 圖 5-4 四階 自由 模態(tài) 振型 圖 表 5-1 自由 模態(tài) 下各階振型 階數(shù) 頻率（ Hz） 振型 一 階 37.524 機身沿 Y 軸扭動，兩側(cè)板下部分 X 軸擺動 二階 41.46 機身前后板和中間板的下部分沿 Z 軸擺動 三階 42.141 機身沿 Y 軸扭動，左右側(cè)板沿 X 軸擺動 四階 56.843 機身左右側(cè)板和中間板沿 X 軸擺動，后板沿 Y 軸扭動 5.2.2 約束模態(tài)描述分析