MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計論文

揚州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計題目 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化 設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 201 4 年 6 月 3 日 中文摘要 隨著各種結(jié)構(gòu)分析理論和優(yōu)化設(shè)計理論的提出與成熟，結(jié)合迅猛發(fā)展的計算機技術(shù)，機床企業(yè)對于機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計也從傳統(tǒng)的經(jīng)驗、類比、靜態(tài)的設(shè)計階段，向動態(tài)優(yōu)化 設(shè)計階段邁進。 利用大型有限元分析軟件 ANSYS,以 MC80 壓力機機身為研究對象，對 MC80 壓力機進行三維建模。應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件對壓力機機架進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，在壓力機機架滿足足夠的強度和剛度條件下， 品 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，增強企業(yè)競爭力。 為提高壓力機產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和壽命降低產(chǎn)成本提供科學(xué)計算分析的依據(jù)從而能夠增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。其主要內(nèi)容如下： 1. 對 MC80 型 壓力機機身 進行三維實體建模； 2. 了解 MC80 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； 3. 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； 4. 對 機身 模型進行約束模態(tài)分析，求解 機身 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。； 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. 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， ANSYS， 優(yōu)化設(shè)計 Abstract With the proposal and maturation of all kinds of structural analysis and optimum design theory, as well as the rapid development of computer technology, the design of the structure of machine tools in our countrys machine tool enterprises has also transited from the period of traditional, analog and static design to the period of dynamically optimum. Using ANSYS FEM software, body of MC80 press, three-dimensional model of is made. Application of ANSYS finite element analysis software for static analysis of the press frame and modal analysis, in the press frame to meet the sufficient strength and stiffness conditions， by shortening the period of production development， increasing the quality of production， reducing the cost of manufacture and improving the ents for the calculatioerprise competitive ability. To increase pressure product performance, quality, and reduce product cost life and provide scientific basin and analysis in order to enhance its product competitiveness in the market. The main contents are as follows： 1. for the 3D solid modeling of MC80 press frame； 2. understanding of MC80 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, impact load on working performance； 4. 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. ； 5. 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. 6. The research content of this dissertation is summarized and prospect. Keywords: press machine ， finite element analysis ， ANSYS， optimization design III 中文摘要 .I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機的發(fā)展與綜述 . 1 1.1.1 壓力機的綜述 . 1 1.1.2 我國壓力機的概況 . 2 1.2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段 1.2.1 本課題的來源 . 2 1.2.2 要研究和解決的問題 . 2 1.3 本章小結(jié) . 3 第二章 有限單元法 . 4 2.1 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 . 4 2.2 ANSYS 軟件簡介 . 8 2.3 有限元基本思想 . 6 2.4 本章小結(jié) . 10 第三章 壓力機機身的靜態(tài)分析 .11 3.1 機身簡介 .11 3.2 幾何模型的建立 .11 3.2.1 單元的 選擇與 劃分 . 12 3.3 邊界條件的施加 . 13 3.3.1 載荷的施加 . 13 3.3.2 邊界約束條件 . 14 3.4 材料特性 . 14 3.5 計 算結(jié)果分析 . 14 3.5.1 應(yīng)力和變形要求 ： . 14 3.5.2 應(yīng)力圖形顯示 . 16 3.5.3 變形圖顯示 . 16 3.5.4 應(yīng)力分析 . 18 IV 3.5.5 變形分析 . 18 3.6 本章小結(jié) . 18 第四章 機身結(jié)的構(gòu)優(yōu)化 . 19 4.1 優(yōu)化分析 . 19 4.2 優(yōu)化方案一 ： . 19 4.2.1 實體模型圖 . 19 4.2.2 應(yīng)力圖顯示 . 20 4.2.3 變形圖顯示 . 20 4.3 優(yōu)化方案二 ： . 22 4.3.1 實體模型圖 . 23 4.3.2 應(yīng)力圖顯示 . 23 4.3.3 變形圖顯示 . 24 4.4 優(yōu)化方案三 ： . 26 4.4.1 實體模型圖 . 26 4.4.2 應(yīng)力圖顯示 . 27 4.4.3 變形圖顯示 . 27 4.5 結(jié)果表格 . 30 4.6 本章小結(jié) . 31 第五章 壓力機的模態(tài)分析 . 32 5.1 模態(tài)分析概念 . 32 5.2 模態(tài)分析的作用 . 32 5.3 模態(tài)分析的的方法與步驟 . 32 5.3.1 模 態(tài)分析的的方法 . 32 5.3.2 模態(tài)分析的的步驟 . 34 5.4 機身的模態(tài)分析 . 34 5.5 本章小結(jié) . 40 第六章 結(jié)論與展望 . 41 致謝 . 42 V 參考文獻 . 43 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 1 第一章 緒論 1.1 壓力機的發(fā)展與 概況 1.1.1 壓力機的 綜述 裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)提供生產(chǎn)技術(shù)裝備的制造業(yè) ,是制造業(yè)的核心組成部分 ,是國民經(jīng)濟發(fā)展特別是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。在裝備制造業(yè)中 ,鍛壓制造是目前全世界應(yīng)用最為廣泛的制造方法之一。而在鍛壓機械中 ,機械壓力機又占有很大的比重。眾所周知 ,由于采用現(xiàn)代化的鍛壓工藝生產(chǎn)工件具有生產(chǎn)效率高 ,材料利用率高和改善了制件的內(nèi)部組織及力學(xué)性能 ,質(zhì)量好 ,能量省和成本低的優(yōu)點。幾十年來 ,機械壓力機廣泛應(yīng)用于沖裁 ,落料 ,彎曲 ,折邊 ,拉伸及其他冷沖壓工序 ,是汽車 ,摩托車 ,家用電器 ,儀器儀表 ,輕工 ,國防工業(yè) ,化工容器 ,電子等行業(yè)必備的關(guān)鍵設(shè)備。所以 ,工業(yè)先進的國家越來越多地采用鍛壓工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削工藝和其他工藝。伴隨著工業(yè)的發(fā)展 ,壓力機的種類和數(shù)量越來越多 ,質(zhì)量要求越來越大 ,能力越來越大 ,它在制造業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)中的作用日趨顯著 1。 機械壓力機是鍛壓機械中的一種，是用曲柄連桿或肘桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、螺桿機構(gòu)傳動，其工作平穩(wěn)、工作精度高、操作條件好、生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)機械化、自動化，適于在自動線上工作，在數(shù)量上居各類鍛壓機械之首。其中 開式壓力機具有開式床身，工作臺在三個方向都是敞開的，裝卸模具和操作都比較方便，同時為機械化和自動化創(chuàng)造了條件；但開式壓力機因為其床身呈 C 形，工作時變形大，剛性較差，而床身的強度、剛度將直接影響到零件加工精度、床身導(dǎo)軌的磨損和模具的壽命等。因此如何優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)，提高開式壓力機床身的靜態(tài)、動態(tài)特性，同時又能降低床身的結(jié)構(gòu)重量，對于開式壓力機床身設(shè)計尤為重要。另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力機正向大噸位、高精度和高速度發(fā)展。例如，德國穆勒 .萬加頓公司開發(fā)的螺旋壓力機最大噸位達到 25000 噸；一些冷精鍛加工精度可 0.02 0.05毫米；滑塊行程較快的可達到 3000 4000 次 /分。要保證這些大噸位、高精度和高速壓力機的正常工作，首先應(yīng)該在設(shè)計壓力機床身時必須保證有足夠的強度和剛度，同時考慮工作時的壓力機的振動情況。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 2 1.1.2 我國壓力機的概況 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。 1.2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段 1.2.1 本課題的來源 本課題來源于江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司。 MC80 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(shù)對 MC80 型 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。 1.2.2 要研究和解決的問題 要求運用有限元分析軟件 ANSYS 對 MC80 型 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，分析各種振型對液 壓機工作狀態(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，為液壓機的設(shè)計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務(wù)內(nèi)容有： （ 1） 對 MC80 型 壓力機機身 進行三維實體建模； （ 2） 了解 MC80 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； （ 3） 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； 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 3 （ 4） 對 機身 模型進行 約束 模態(tài)分析，求解 機身 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。 （ 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。 1.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了這一次科學(xué)研究的對象：壓力機。在這一章節(jié)中，我們介紹了他的國內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，針對它的實用性，我們對此再次就行優(yōu)化設(shè)計以求得到更好的效果。在這一章中，我們對研究目的和方法作了說明，在下面的章節(jié)中，我們會具體進行分析和改進。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 4 第二章 有限單元法 2.1 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 有限元法作為一 種數(shù)值計算方法，它的產(chǎn)生和發(fā)展卻是首先在工程應(yīng)用中取得突破。固體力學(xué)中最早采用計算機進行數(shù)值計算的是桿系結(jié)構(gòu)力學(xué) ，以桿件為單元 ，稱為矩陣位移法，它為有限元理論提供了思路。有限元法基本思想的提出，可以追溯到 Courant 在 1943 年的工作 ， Courant 第一次應(yīng)用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù) 和最小位能原理來求解 St .Venant 扭轉(zhuǎn)問題。開始涉及有限元的概念。 1954 年， Argris J H用系統(tǒng)的最小勢能原理得到了系統(tǒng)的剛度矩陣，使已經(jīng)成熟的桿件矩陣位移法可以用來分析連續(xù)介質(zhì) 。 1955 年美國波音飛機制造公司的TurnerM.L 和 Clough.R ， W ，在分析大型飛機結(jié)構(gòu)時，第一次采用直接剛度法給出了用三角形單元求解平面應(yīng)力問題的正確解答，并導(dǎo)出了其單元剛度矩陣，發(fā)展成矩陣位移法。 1960 年 R.W.Clough 把這種方法由航空結(jié)構(gòu)工程擴展到土木工程，并正式命名為有限元法，這標(biāo)志著有限元法的正式誕生。 到 60 年代末至 70 年代初 ,出現(xiàn)了大型通用有限元程序 , 它們以功能強、 用戶使用方便、 計算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品 ,成為結(jié)構(gòu)工程強有力的分析工具。目前 ,有限元 法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、 熱力學(xué)、 流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。 進入 20 世紀 80 年代以后，有限元法在理論的指導(dǎo)下， 其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題，從固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，成為應(yīng)用廣泛的分析工具。同時，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和軟件工程的興起，大型商用有限元軟件在更好的人機界面 、更強的分析功 能、更直觀結(jié)果的顯示方面取得了長足的進步，并日益和計算機輔助設(shè)計 CAD 軟件集成 在一起 ，形成了一個新的領(lǐng)域 CAE，給工程設(shè)計帶來巨 大的變革。由于有限元法特別適合于計算機程序編寫，因此許多國家都編制了大型通用的有限元程序，如美國加利福尼亞大學(xué)研制的 SAP 軟件、麻省理工學(xué)院研制的 ADINA 軟件、美國國家航空與宇航局研制的 NASTRAN 軟件等。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 5 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 , 主要表現(xiàn)在以下幾個方面：增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)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(shè)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。 縱觀當(dāng)今國際上 CAE 軟件的發(fā)展情況，可 以看出有限元分析方法的一些發(fā)展特點： （）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 （）強大的建模能力。具備三維建模能力，僅靠的（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。 （）強大的求解功能。提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 （）強大的非線性分析功能。 具有強大的非線性分析功能，可進行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 （）智能網(wǎng)格劃分。 具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格 （）良好的優(yōu)化功能。 （）良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 現(xiàn)在有限元的用途很廣，用法很多，我們淺談下振動工程中的有限元模態(tài)分析：模態(tài)分析技術(shù)開始于 20 世紀 30 年代，經(jīng)過 70 多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動工程中一個重要的分支。 有限元模態(tài)分析發(fā)展趨勢，當(dāng)今國際上方法和軟件開發(fā)呈現(xiàn)出以下趨勢特征： （ 1）從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解多物理場問題。近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等 “耦合 ”場問題的求解計算； (2)由求解線性工程問題進展到分析非線性問題。有限元技術(shù)在巖土工程中也有應(yīng)用。它在鑲嵌技術(shù)上也有應(yīng)用。 上述主要介紹了有限元的發(fā)展及其應(yīng)用，接下來介紹下有限元方法的基本思想。有限元方法的基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互聯(lián)接在湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 6 一起的單元組合體。由于各單元能按不同的聯(lián)接方式進行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限元方法作為數(shù)值分析方法的一個重要特點是利用在每一個單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)來分片地表達求解域上的未知場函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場 函數(shù)或?qū)?shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其差值來表示。這樣一來，在利用有限元方法分析問題時，未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個節(jié)點的數(shù)值就成為新的未知量 ( 即自由度 ) ，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題成為離散的有限自由度問題。求解出這些未知量，就可以通過插值計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個求解區(qū)域上的近似解。隨著單元數(shù)目的增加 (單元尺寸減小 ) 或隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)的精度的提高，解的近似程度不斷改進，只要各單元是滿足收斂要求的，近似解最后將會收斂于精確解。 2.2 有限元基本思想 有限元法的中心思想是對 求解域 (結(jié)構(gòu) )進行單個兒劃分和分片近似，其計算步驟為： (1)結(jié)構(gòu)的離散化 結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎(chǔ)。所謂結(jié)構(gòu)的離散化，其過程簡單地說，就是將分析的結(jié)構(gòu)物劃分成有限個離散體 (單元體 )，并在單元體指定點設(shè)置結(jié)點，把相鄰的單元體在結(jié)點處連接起來組成單元的集合體，以代替原來的結(jié)構(gòu)，顯然單元體越多，越接近原來的結(jié)構(gòu)。不同的分析對象采用不同的單元類型，常用的有桿單元，梁單元，板單元，殼單元，體單元等。 (2)選擇位移函數(shù) 在結(jié)構(gòu)的離散化完成以后，就可對單元進行特性分析。分析方法可按節(jié)點未知量選用變形、位移和應(yīng)力的不同，有力法、位移法、混合法和雜交法，最常用的方法是位移法。為了能用結(jié)點位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，必須對單元中位移的分布作一定的假設(shè)，也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡單函數(shù) 位移函數(shù)。位移函數(shù)的適當(dāng)選擇是有限元分析的關(guān)鍵。在有限元法應(yīng)用中，普遍地選擇多項式作為位移函數(shù)，因多項式的數(shù)學(xué)運算 (微分和積分 )比較方便，并且由所有光滑函數(shù)的局部來看都可以用多項式逼近。根據(jù)所選定的位移函數(shù)，就可以導(dǎo)出用結(jié)點位移表示單元內(nèi)任一點位移的關(guān)系式，其矩陣形式是： 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 7 式中， 為單元內(nèi)任一點的 位移列陣； N為形函數(shù)矩陣，它的元素是單元位置坐標(biāo)的函數(shù)，反映了單元的位移形態(tài)； 為單元的結(jié)點位移列陣。 (3)分析單元的力學(xué)特性 位移函數(shù)選定以后，就可以進行單元力學(xué)特性的分析。它包括三部分內(nèi)容： A利用幾何方程和位移表達式 (2-1)導(dǎo)出用結(jié)點位移來表示單元應(yīng)變的關(guān)系式，尋求結(jié)點位移與應(yīng)變的關(guān)系，即： =B 式中， 是單元內(nèi)任一點的應(yīng)變列陣； B為單元應(yīng)變矩陣。 B利用物理方程，由應(yīng)變的表達式 (2-2)導(dǎo)出用結(jié)點位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式，即： =DB 式中， 是單元內(nèi)任一點的應(yīng)力列陣； D為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。 C利用虛功原理建立作用于單元上的節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(guān)系式 (節(jié)點平衡方程 )，即： 式中， 在積分遍及整個單元的體積，為單元剛度矩陣； R為單元上節(jié)點力列陣。 (4)計算單元的等效節(jié)點力 彈性體經(jīng)過離散化以后，假定力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力以及作用于單元的體積力、集中力等都需要等效移置到節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。移置的方法是按照作用在單元上的力與等效節(jié) 點力在任何虛位移上所做的虛功都相等的原則來進行的。 (5)集合所有單元的平衡方程，建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程 這個集合過程包括兩個方面的內(nèi)容：一個是由各個單元的剛度矩陣集合成整個物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效節(jié)點力列陣集合成總的荷載列陣。湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 8 一般說來，集合所依據(jù)的理由是要求所有相鄰的單元在公共節(jié)點處的位移相等。 于是得到以整體剛度矩陣 K荷載列陣 R以及整個物體的節(jié)點位移列陣 S表示的整個結(jié)構(gòu)的平衡方程： K=R (6)求解未知節(jié)點位移和節(jié)點等效荷載以及整體剛度矩陣組成的平衡方程解 出節(jié)點位移，然后利用公式和已求出的節(jié)點位移來計算各單元的應(yīng)力，最后利用公式求出單元內(nèi)任一點的位移。 2.3ANSYS 軟件簡介 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)計中的高級 CAD 工具之一 2。 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 各種動力學(xué)分析等計算能力，此程序包在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析問題：如機械結(jié)構(gòu)受力，變形及內(nèi)部應(yīng)力情況等等，利用 ANSYS 軟件對機械模型 進行仿真模擬計算，通過應(yīng)力 應(yīng)變云圖直觀展示構(gòu)件的性能特點，從而為解決機械結(jié)構(gòu)中常見的問題提供理論依據(jù)。 ANSYS 仿真分析的結(jié)果可以幫助設(shè)計人員對實際生產(chǎn)方案作出準確的判斷，節(jié)省物力財力，為提高生產(chǎn)效率及縮短設(shè)計研發(fā)周期的產(chǎn)生有很大的作用 3。 ANSYS 軟件計算分析的原理是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限數(shù)量的節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連續(xù)的一組單元的集合體，時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一個插值函數(shù)來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，進而利用彈性力學(xué) 固體力學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)中的變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元方程，從而將一個連續(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 4求解后就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合上的場函數(shù)。 ANSYS 典型的分析過程由前處理、求解計算和后處理個部分組成。 前處理：有限元模型是進行有限元分析的計算模型或數(shù)學(xué)模型，它為計算提供原始的數(shù)據(jù)。建模是整個有限元分析過程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計算結(jié)果的精度、計算時間的長短及計算過程能否完成，其中建模主要包括以下幾步： （） 確 定工作名和分析標(biāo) （） 設(shè)置分析模塊 ； 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 9 （） 定義單元類型和選項 ； （） 定義實常數(shù)； （） 定義材料性質(zhì) ； （） 創(chuàng)建分析幾何模型 ； （） 建立有限元模型 ； （） 對模型進行網(wǎng)格劃分 ； 選擇單元的要點包括： （）對線性結(jié)構(gòu)（應(yīng)力）分析，建議采用高階單元； （）對非線性應(yīng)力分析， 用低階單元采用較密網(wǎng)格，而不用較粗網(wǎng)格高階單元； （）對殼應(yīng)力分析，四邊形比三角形結(jié)果要好。 加載及求解：加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。載荷的含義有： 自由度約束位移、節(jié)點力（力，力矩）、表面載荷壓力、慣性載荷（重力加速度，角加速度）。 可以在實體模型或 （有限元分析）模型（節(jié)點和單元）上加載。直接在實體模型加載優(yōu)點是幾何模型加載獨立于有限元網(wǎng)格，重新劃分網(wǎng)格或局部網(wǎng)格修改不影響載荷；同時加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時。但要注意：無論采取何種加載方式， 求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此，加載到實體的載荷將自動轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點或單元上。 后處理：后處理是將計算所得的結(jié)果可視化。有兩個后處理器：通用后處理 器，它只能觀看整個模型在某一時刻的結(jié)果；時間歷程后處理器，可觀看模型在不同時間的結(jié)果。但此后處理器只能用于處理靜態(tài)或動力分析結(jié)果。動力分析結(jié)果后處理的步驟主要包括： 從求解計算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)； 對計算結(jié)果進行各種圖形化顯示； 可對計算結(jié)果進行列表顯示； 進行各種后續(xù)分析。而靜力分析結(jié)果后處理的步驟主要包括： 繪變形圖， 變形動畫， 支反力列表， 應(yīng)力等值線圖。 目前， ANSYS 軟件已廣泛應(yīng)用于機械制造 石油化工 輕工 造船 航空航天 汽車交通 電子 土木工程 水利 鐵道 日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究 27，其技術(shù)涵蓋多湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 10 個學(xué)科領(lǐng)域 !隨著發(fā)展， ANSYS 提供的機械工程仿真技術(shù)將越來越成熟，設(shè)計人員以真正耦合的方式使用 ANSYS 技術(shù)，可獲得符合現(xiàn)實條件的解決方案，而綜合多物理場產(chǎn)品組合能使用戶利用集成環(huán)境中的多個耦合物理場進行仿真與分析 ANSYS軟件可讓用戶更深入地鉆研，從而解決更多種類的問題，處理更為復(fù)雜的情況。因此， ANSYS 產(chǎn)品以其靈活的仿真性能將會被越來越廣泛地關(guān)注和應(yīng)用。 2.4 本章小結(jié) 在這一章節(jié)中，我們介紹了有限元 的發(fā)展與現(xiàn)狀，有限元基本思想， ANSYS 的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，說明了它的軟件有點和具體 的使用方法。對其中的一些公式方程我們也進行了說明和列舉。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 11 第三章 壓力機機身的靜態(tài)分析 3.1 機身簡介 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。我所研究的 MC80 壓力機為 C 型， 焊接結(jié)構(gòu) 。 該設(shè)備的主要參數(shù)如下 : 型號 : MC80； 公 稱 壓 力 : 800KN； 標(biāo)準行程次數(shù) : 225mm 行程 100 次 /分； 機身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 許用角變形 980 微??； 3.2 幾何模型的建立 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)格生成單元以及添邊界條件等步驟。 MC80 壓力機機身上有底座，有加強板、凸臺，油泵等，在建立有限元模型時，不可能全部考慮這些復(fù)雜的因素，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，因此，按照等效截面方法對機身進行簡化，其簡化條件是簡化前后截面積和慣性矩分別相等。坐標(biāo)原點建立在底座上。 機身前后板、側(cè)板、加強筋、加強板之間通過焊接而成，假定焊接為理想焊接，機身結(jié)構(gòu)可視為一整體，以不等厚板處理。約束條件為機身與基礎(chǔ)連接的地腳螺釘全約束。簡化后機身力學(xué)實體幾何模型如圖 3.1 所示： 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 12 圖 3.1 MC80 實體幾何模型 3.2.1 單元的 選擇與 劃分 ANSYS 單元庫中有超過 150 種不同的單元類型，在建立有限元模型時，先要選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊獑卧獊泶鎸嶋H的結(jié)構(gòu)。在生成單元之前，必須 設(shè)置合理的單元屬性，包括單元類型、實常數(shù)、材料特性以及單元坐標(biāo)系等。軟件提供豐富的單元類型用于各種問題的計算，其中實體、板殼、和梁是三類常用單元。實體單元有SOLID45、 SOLID92 和 SOLID95 等。關(guān)于有限元單元先擇的問題，通過計算比較指出：使用高階單元比使用低階單元的效果顯著；長方體單元比四面體單元計算效果好。雖然二次高階單元（帶有中間節(jié)點）比線性單元的節(jié)點數(shù)增加，但對曲線和曲面邊界的結(jié)構(gòu)有較好的擬和，并且只用很少的單元就可以得到更高的精度。 本單元采用的是結(jié)構(gòu)塊單元 SOLID92， SOLID92適合劃分不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)模型。如 :制作各種 CAD / CAM系統(tǒng) .solid92為 20節(jié)點磚形元素 。 這種元素由 10個節(jié)點組成 ,每個節(jié)點沿節(jié)點坐標(biāo)系 x,y,z3個方向平動 。 單元的幾何形狀節(jié)點位置及坐標(biāo)系如下圖 圖 3.2 SOLID92單元 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 13 元素輸入數(shù)據(jù)在節(jié)點旁邊，包括正交異性材料性能 ,正交異性材料的方向?qū)?yīng)元素的坐標(biāo)方向 。 元素坐標(biāo)系統(tǒng)的方向所描述的是坐標(biāo)系統(tǒng) 。各板厚度以單元實常數(shù)的形式在定義單元特性時賦予各板。載荷的處理：本題所使用的是均部載荷，對油泵和工作臺進行加載處理，總載荷為 960KN。 利用 ANSYS 的智能尺寸網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分器對將要劃分網(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，基本控制只需定義網(wǎng)格尺寸的等級從 1（精細）到 10（粗略）?？紤]到本文要進行靜動態(tài)的有限元分析，故選取劃分網(wǎng)格的精度等級為 6， 智能劃分后，如圖 3.3 所示 圖 3.3 網(wǎng)格劃分圖 3.3 邊界條件的施加 機身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個方面：載荷的施加和邊界約束。 3.3.1 載荷的施加 本設(shè)備的 公稱壓力是 800KN，但由于實際應(yīng)用中設(shè)備受到的是動載荷，故應(yīng)在靜載荷上乘以一個動荷系數(shù) 1.20，即 960KN。分析其應(yīng)力和變形時，取其公稱壓力湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 14 為機身的外載荷。設(shè)備在工作時承受兩個方向的載荷，一個是作用在油泵上，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。 2 個載荷都是以均部載荷的形式作用在工作平面上的。 3.3.2 邊界約束條件 MC80 壓力機機座的邊界約束條件為機身與導(dǎo)軌連接的螺栓全約束。圖 1 反應(yīng)了ANSYS 上施加外力載荷和進行邊界約束。 圖 1 約束 和外力加載圖 3.4 材料特 性 機身為 Q235 鋼的板材焊接結(jié)構(gòu)，在工作時其變形是彈性變形。材料特性常數(shù)包括：彈性模量、泊松比、密度，根據(jù)機械設(shè)計手冊， Q235 鋼的彈性模量 E 為 206.76 Gpa,泊松比 為 0.27 0.3,本文取 E=21011Pa,=0.3, Q235鋼的密度取 = 7800kg/m3。 3.5 計算結(jié)果分析 3.5.1 應(yīng)力和變形要求： （ 1）機身變形要求 : mmxx 1 mmyy 1 mmzz 1 。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 15 （ 2）機身材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服，所以在強度分析中采用第三強度理論或第四強度理論。但是第三強度理論未考慮主應(yīng)力 2 影響，它可以較好的表現(xiàn)塑性材料塑性屈服現(xiàn)象，只適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。而第四強度理論考慮了主應(yīng)力 2 的影響，且和實驗較符合，它與第三強度 理論比較更接近實際情況。因而在強度評價中通常采用第四強度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力e（又稱 Von Mises 等效應(yīng)力）來評價。 第四強度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料不發(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， =s/安全系數(shù) =235/1.47=160Mpa，而我們所要的應(yīng)力要求是： 160MPa 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 16 3.5.2 應(yīng)力圖形顯示 （ MPa） 1)Von-Mises 應(yīng)力圖 圖 1 Von-Mises 應(yīng)力云圖 3.5.3 變形圖顯示 (mm) 1)X 方向變形圖 圖 2 X 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 17 2)Y 方向變形圖 圖 3 Y 向變形圖 3)Z 方向變形圖 圖 4 Z 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 18 4)總變形圖 圖 5 總變形圖 3.5.4 應(yīng)力分析 1） 從 Von-Mises 應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為 77.172 Mpa，小于許用應(yīng)力 160 Mpa，符合要求。 3.5.5 變形分析 1) 從 X 變形圖可以看出，變形為 0.55237mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 2) 從 Y 變形圖可以看出，變形為 0.42429mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3) 從 Z 變形圖可以看出，變形為 0.021491mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3.6 本章小結(jié) 本章列出了壓力機的三維模型，細化后的圖形也列出來了。對于這壓力機模型我們介紹了它的材料特性，也對它進行了加載然后應(yīng)力分析和變形分析。也對它的變形結(jié)果進行了分析，符合變形和應(yīng)力要求。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 19 第四章 機身結(jié)的構(gòu)優(yōu)化 4.1 優(yōu)化分析 通常，一個好的產(chǎn)品設(shè)計， 往往是綜合各種因素，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： 將機身壁厚減少 20mm,由原來的 80mm改為 60mm。 4.2.1 實體模型圖 圖 4-2-1 實體模型圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 20 4.2.2 應(yīng)力圖顯示 (MPa) 1） Von-Mises 應(yīng)力圖 圖 4-2-2 Von-Mises 應(yīng)力云圖 4.2.3 變形圖顯示 (mm) 1)X 方向的變形圖 圖 4-2-3 X 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 21 2） Y 方向的變形圖 圖 4-2-4 Y 向變形圖 3） Z 方向變形圖 圖 4-2-5 Z 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 22 4） 總變形 圖 圖 4-2-6 總變形圖 4.2.4 應(yīng)力分析 1） 從應(yīng)力圖 Von Mises 中我們可以看出最大壓應(yīng)力為 101.51Mpa， 小于許用應(yīng)力 160 Mpa，符合應(yīng)力要求 。 4.2.5 變形分析 1) 從 X 變形圖 可以看出，變形為 0.70933mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 2) 從 Y 變形圖可以看出，變形為 0.5299mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3) 從 Z 變形圖可以看出，變形為 0.029791mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 4.3 優(yōu)化方案二： 在方案一的基礎(chǔ)上，將喉口處直線部分的長度由 133mm改為 115mm。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 23 4.3.1 實體模型圖 圖 4-3-1 實體模型圖 4.3.2 應(yīng)力圖顯示 (MPa) 1） Von-Mises 應(yīng)力圖 圖 4-3-2 Von-Mises 應(yīng)力云圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 24 4.3.3 變形圖顯示 (mm) 1） X 方向的變形 圖 4-3-3 X 向變形圖 2)Y 方向的變形圖 圖 4-3-4 Y 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 25 3)Z 方向變形圖 圖 4-3-5 Z 向變形圖 4） 總變形 圖 圖 4-3-6 總變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 26 4.3.4 應(yīng)力分析 1)從 Von-Mises 應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為 105.31 Mpa，小于許用應(yīng)力 160 Mpa，符合應(yīng)力要求。 4.3.5 變形分析 1) 從 X 變形圖可以看出，變形為 0.69657mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 2) 從 Y 變形圖可以看出，變形為 0.52376mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3) 從 Z 變形圖可以看出，變形為 0.029533 mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 4.4 優(yōu)化方案三： 在方案一方案二的基礎(chǔ)上，將工作臺下面的梯形凹槽改為矩形凹槽。 4.4.1 實體模型圖 圖 4-4-1 實體模型圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 27 4.4.2 應(yīng)力圖顯示 (MPa) 1） Von-Mises 應(yīng)力圖 圖 4-4-2 Von-Mises 應(yīng)力云圖 4.4.3 變形圖顯示 (mm) 1） X 方向的變形圖 圖 4-4-3 X 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 28 2） Y 方向的變形圖 圖 4-4-4 Y 向變形圖 3） Z 方向的變形圖 圖 4-4-5 Z 向變形圖 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 29 4）總變形圖 圖 4-4-6 總變形圖 4.4.4 應(yīng)力分析 1)從 Von-Mises應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為 105.67Mpa，小于許用應(yīng)力 160 Mpa，符合應(yīng)力要求。 4.4.5 變形分析 1)從 X 變形圖可以看出，變形為 0.69688mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 2)從 Y 變形圖可以看出，變形為 0.52387 mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3)從 Z 變形圖可以看出，變形為 0.029792mm， 符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 30 4.5 結(jié)果表格 經(jīng)計算可節(jié)省的材料如表 1 所示： 表 1.各優(yōu)化方案分析比較 方案 可節(jié)省材料的體積 (m3) 可節(jié)省材料的重量 (kg) 方案一 0.1171 913.68 方案二 0.0025 19.79 方案三 0.0115 89.85 壓力機機身各種方案下的計算結(jié)果如表 2 所示： 表 2.各優(yōu)化方案分析比較 機身最大應(yīng)力（ MPa） 最大變形 (mm) X 方向 Y 方向 Z 方向 原設(shè)計方案 77.172 0.55237 0.42429 0 021491 改進方案 方案一：將機身壁厚減少 20mm,由原來的 80mm 改為60mm。 101.51 0.70933 0.5299 0.029291 方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，將喉口處直線部分的長度由 133mm 改為115mm。 105.31 0.69657 0.52376 0.029533 方案三：在方案一方案二的基礎(chǔ)上，將工作臺下面的梯形凹槽改為矩形凹槽。 105.67 0.69688 0.52387 0.029792 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 31 4.6 本章小結(jié) 對于這次的優(yōu)化，我們提出了 3 個優(yōu)化方案，這三個方案總體來說都符合優(yōu)化標(biāo)準，但是出于材料的節(jié)省來說，第 1 方案為最佳方案，總共可以節(jié)省 1023 的材料，大大節(jié)省了成本。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 32 第五章 壓力機的模態(tài)分析 5.1 模態(tài)分析概念 模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動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)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。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。計算模態(tài)分析實際上是一種理論建模過程，主要是運用有限元法對振動結(jié)構(gòu)進行離散，建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學(xué)模型，用各種近似方法求解特征值和特征矢量。由于阻尼難以準確處理，因此通常均不考慮小阻尼系統(tǒng)的阻尼，解得的特征值和特征矢量及系統(tǒng)的固有頻率和固有振動矢量?？梢姡媚B(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，如果要進行模態(tài)疊加響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析，固有頻率和振型也是必要的。 5.2 模態(tài)分析的作用 模態(tài)分析所的最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個方面： 1) 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性； 2) 在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計； 3) 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障； 4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲； 5) 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。 5.3 模態(tài)分析的的方法與步驟 5.3.1 模態(tài)分析的的方法 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 33 1.降階法 (reduced householder method)： 該方法為一般結(jié)構(gòu)最常用的 方法之一。其原理是在原結(jié)構(gòu)中選取某些重要的節(jié)點為自由度，稱為主自由度 (master degree of freedom)，再用該主自由度來定義結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣并求出其頻率及振動模態(tài)，進而將其結(jié)果擴展至全部結(jié)構(gòu)。在解題過程中該方法速度較快，但其答案較不準確。 主自由度的選擇依照所探討的模態(tài)、結(jié)構(gòu)負載的情況而定： a. 主自由度的個數(shù)至少為所求頻率個數(shù)的兩倍。 b. 選擇主自由度的方向為結(jié)構(gòu)最可能振動的方向。 c. 主自由度節(jié)點位于較大質(zhì)量或轉(zhuǎn)動慣量處及剛性較低位置。 d. 如果彎曲模態(tài)為主要探討模態(tài)，則可省略旋轉(zhuǎn)自由度。 e. 主自由度的節(jié)點位于施力處或非零位移處。 f. 位移限制為零的位置不能選為主自由度節(jié)點，因為這種節(jié)點具有高剛性的特性。 可以用 M 命令來定義主自由度。此外，也可由 ANSYS 自動選擇自由度。 2. 次空間法 (subspace method)： 通常用于大型結(jié)構(gòu)中，僅探討前幾個振動頻率，所得到結(jié)果較準確，不需要定義主自由度，但需要較多的硬盤空間及 CPU 時間。求取的振動模態(tài)數(shù)應(yīng)該小于模型全部自由度的一半。 3. 非對稱 法 (unsymmetrical method)： 該方法用于質(zhì)量矩陣或剛度矩陣為非對稱時，例如轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。其特征值(eigenvalue)為復(fù)數(shù)，實數(shù)部分為自然頻率；虛數(shù)部分為系統(tǒng)的穩(wěn)定度，正值表示不穩(wěn)定，負值表示穩(wěn)定。 4. 阻尼法 (damped method)： 該方法用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有阻尼現(xiàn)象時，其特征值為復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分為自然頻率；實數(shù)部分為系統(tǒng)的穩(wěn)定度，正值表示不穩(wěn)定，負值表示穩(wěn)定。 5. 區(qū)塊法 (block lanczos method)： 該方法用于大型結(jié)構(gòu)對稱的質(zhì)量及剛度 矩陣，和次空間方法相似，但收斂性更快。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 34 6. 快速動力法 (power dynamics method)： 該方法用于非常大的結(jié)構(gòu)（自由度大于 100,000）且僅需最小幾個模態(tài)。該方法質(zhì)量矩陣采用集中質(zhì)量法。 5.3.2 模態(tài)分析的的步驟 1. 模型建立。模態(tài)分析是線性分析，如果在分析中指定了非線性單元，程序在計算過程中將忽略其非線性行為，故模態(tài)分析盡可能選用線性單元。在材料特性中密度 DENS 一定要定義，以構(gòu)建質(zhì)量矩陣；另外必須指定彈性模量 EX。材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、恒定的或與溫度相關(guān)的，但非線性性 質(zhì)將被忽略。 2.進入 /SOLU 中定義模態(tài)分析，聲明模態(tài)分析方法，結(jié)構(gòu)外力負載（通常指結(jié)構(gòu)約束條件，如果有結(jié)構(gòu)外力，則是預(yù)應(yīng)力問題），主自由度的選擇（如選用降階法）。求解，退出 /SOLU。 3. 再進入 /SOLU，將所得結(jié)果擴展至全結(jié)構(gòu)，求解，并保存至結(jié)果文件以便在后處理器中檢查結(jié)果。 4. 進入 /POST1 檢查結(jié)果。也可以將求解與模態(tài)擴展合并在一起，定義完模態(tài)分析相關(guān)參數(shù)后，不求解，先定義模態(tài)擴展，然后再求解。 5.4 機身的模態(tài)分析 對于模態(tài)設(shè)置進行擴展，所以對于求得的的每一階固有頻率，程序同時都求解了其 對應(yīng)的模態(tài)振型反應(yīng)在該固有頻率時模板各節(jié)點的位移情況?？梢岳?ANSYS通用后處理器方便地對其進行觀察和分析，并可以對各階模態(tài)振型進行動畫顯示。 通過建模、網(wǎng)格劃分、添加約束，得到機身的前十階振型的共振頻率，結(jié)果如表 5.1所示。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 35 表 5.1 機身的十階振型的共振頻率 頻 率（ Hz） 振 型 一階 29.642 機身 Z 方向左右擺動 二階 91.904 機身頂部 X 方向左右擺動 三階 113.37 機身頂部 Y 方向扭轉(zhuǎn) 四階 127.94 機身主 板后側(cè) Z 方向左右擺動 五階 158.52 機身主板后側(cè) Z 方向左右擺動 六階 196.84 X 方向扭轉(zhuǎn) 七階 240.84 機身主板后側(cè) Z 方向左右擺動 八階 266.43 工作臺后方部分上下移動 九階 277.96 機身主板后側(cè) Z 方向左右擺動 十階 285.81 工作臺后方部分上下移動 機身的前十階約束模態(tài)振型如圖 5.0圖 5.9： 圖 5.0 一階 約束模態(tài) 振型 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 36 圖 5.1 二階 約束模態(tài) 振型 圖 5.2 三階 約束模態(tài) 振型 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 37 圖 5.3 四階 約束模態(tài) 振型 圖 5.4 五階 約束模態(tài) 振型 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 38 圖 5.5 六階 約束模態(tài) 振型 圖 5.6 七階 約束模態(tài) 振型 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 39 圖 5.7 八階 約束模態(tài) 振型 圖 5.8 九階 約束模態(tài) 振型 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 40 圖 5.9 十階 約束模態(tài) 振型 5.5 本章小結(jié) 本章介紹了有限元法中的模態(tài)分析，具體說明了它的方法與步驟。在這一張中，我們倒入了我們設(shè)計的壓力機，得到了它的頻率和振型。我們通過圖片可以看出它的扭轉(zhuǎn)，也列出了它的頻率與振型的表格。 湯躍進 MC80 型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 41 第六章 結(jié)論與展望 6.1 結(jié)論 以計算機技術(shù)為基 礎(chǔ)的先進技術(shù)，已成為一個企業(yè)具有競爭力、在市場經(jīng)濟中生存和發(fā)展以及一個國家興旺發(fā)達的支柱。本文利用有限元法，對 MC80 壓力機的機架進行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計。也取得了一定的研究成果，具體的研究結(jié)果如下： 1） 利用三維造型軟件 Solid Work 對 MC80 壓力機進行實體建模，導(dǎo)入到 ANSYS軟件中建立有限元模型 2） 運用有限元分析軟件 ANSYS，建立了壓力機機架的參數(shù)化模型，并應(yīng)用于有限元分析中。對參數(shù)化模型劃分網(wǎng)格后，給出約束條件、邊界條件和工況載荷條件，進行了數(shù)值模擬分析。 3） 通過 ANSYS 進行靜態(tài)分析 得 到壓力機機身各結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變形云圖 ， 根據(jù)原始方案的應(yīng)力、變形圖的分析，改變相關(guān)尺寸變量以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 4） 運用 ANSYS 對壓力機經(jīng)行了模態(tài)分析，對它的穩(wěn)定性能有了一定的了解。 6.2 展望 本文運用了 ANSYS 軟件對 MC80 壓力機進行了結(jié)構(gòu)受力分析，得到了 MC80型壓力機的性能參數(shù)，并對其進行改進，改善了性能并節(jié)省了材料。 由于時間和具體專業(yè)的關(guān)系，我們對壓力機的分析研究以及對 ANSYS 這個軟件的應(yīng)用分析還有很多的不足，所以對于這次的研究分析還有許許多多的不足，而且得到的結(jié)論或者結(jié)果還有許多欠缺的地方。我們 對于