JS-500精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

JS-500精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年 6月 1日 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(duì)于降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。本文以 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身作為研究對(duì)象， 運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 對(duì) JS-500 精整壓力機(jī)進(jìn)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以主要內(nèi)容有： （ 1） 分析了解 JS-500 精整壓力機(jī)工作 狀態(tài)和性能。 （ 2） 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模。 （ 3） 分析曲軸的受力情況和強(qiáng)度校核，對(duì)其進(jìn)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(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身應(yīng)力分布規(guī)律和載荷對(duì)其工作性能的影響，并對(duì)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 5） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)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(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響 。最后對(duì)論文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。 關(guān)鍵詞 ：壓力機(jī)，有限元分析，靜態(tài)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)的概述 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)的發(fā)展 . 1 1.3 課題來(lái)源 . 3 1.4 本課題研究的目的及意義 . 3 1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容 . 3 1.6 本章小結(jié) . 4 第二章 有限元方法及 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 . 5 2.1 有限元方法簡(jiǎn)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(jiǎn)介 . 7 2.5 本章小結(jié) . 8 第三章 壓力機(jī)機(jī)身靜態(tài)分析 . 9 3.1 機(jī)身靜力學(xué)分析過(guò)程簡(jiǎn)要流程 . 9 3.2 三維實(shí)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(jì)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(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn) . 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(jī)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(duì)機(jī)身進(jìn)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(xiàn) . 48 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 1.1 壓力機(jī)的概述 壓力機(jī)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(jī)械、汽車裝配線上零部件的壓裝等工作。 但長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)或模擬量的調(diào)整，自動(dòng)化水平低，壓機(jī)間及壓機(jī)與上位機(jī)間無(wú)法進(jìn)行通訊，液壓回路控制簡(jiǎn)單，床身結(jié)構(gòu)為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)等缺點(diǎn)，無(wú)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(jìn)程落后數(shù)十年。特別是近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，從而帶動(dòng)著整個(gè)制造業(yè)的振興，而在各種汽車零部件的制造和裝配過(guò)程中離不開壓力機(jī)械的使用，壓力機(jī)的市 場(chǎng)需求在逐年增加，同時(shí)舊的壓力機(jī)也隨著產(chǎn)品技術(shù)要求的提高而需要更新。 因此，該機(jī)的研制成功與大量使用對(duì)于提高壓裝質(zhì)量及降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度將起到重要的作用。也必將對(duì)于提升我國(guó)壓力機(jī)的裝備水平及至整個(gè)國(guó)民制造業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義 1。 機(jī)械壓力機(jī)是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓設(shè)備。能進(jìn)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(jī)械壓力機(jī)所占比例高達(dá) 80%以上 3。 精整壓力機(jī)是一種精密、高速、高效的精密整形拉深壓力機(jī)，設(shè)備采用六連桿機(jī) 構(gòu)并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該設(shè)備既具有類似于液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，又具有較快的行程次數(shù) 4。 1.2 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)的發(fā)展 目前我國(guó)壓力機(jī)機(jī)身的設(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(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問(wèn)題使得國(guó)產(chǎn)壓力機(jī)在高檔次壓力機(jī)領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法與國(guó)外壓力機(jī)相抗衡。隨著中國(guó)加入 WTO，中國(guó)的機(jī)床制造企業(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(guó)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(lái)提高我國(guó)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平，在新 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 2 的市場(chǎng)環(huán)境中積極參與競(jìng)爭(zhēng)。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(jì)人員廣為認(rèn)識(shí)和發(fā)展，在機(jī)床設(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 5。 自改革開放以來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jī)械、船舶、飛機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域 6。 近年來(lái)，由于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)特別是新型壓力機(jī)的需求越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。世界許多壓力機(jī)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(jī)上。我國(guó)目前對(duì)壓力機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)長(zhǎng)期以來(lái)還沿用經(jīng)驗(yàn)、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)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(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問(wèn)題使得國(guó)產(chǎn)壓力機(jī)在高檔次壓力機(jī)領(lǐng)域內(nèi)無(wú)法與國(guó)外壓力機(jī)相抗衡。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)床分析技術(shù)的結(jié)合，要求我們引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念與手段，利用有限元法進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特征的計(jì)算，對(duì)新型壓力機(jī)機(jī)身作全面的分析優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)壓力機(jī)的優(yōu)化方法進(jìn)行探索，實(shí)現(xiàn)真正意義上的設(shè)計(jì) 7。 目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)使用的壓力 機(jī)一般都采用不可調(diào)速的交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式需要一整套的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需要的直線往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了減小電動(dòng)機(jī)的功率，還在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，這種傳動(dòng)系統(tǒng)成本較低，但是體積笨重，變速難度大 8。 國(guó)外對(duì)于壓力機(jī)的機(jī)身也有大量的研究，德國(guó)的 Neuman M.和 Hahn.H 建立了機(jī)械壓力機(jī)的三種不同復(fù)雜程度的工程模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證模型的參數(shù)，從而對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。丹麥的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim設(shè)計(jì)了一種壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定了壓 力機(jī)的六個(gè)剛度，從而為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)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(guó)家之一，他們的工程技術(shù)人員對(duì)節(jié)能技術(shù)的研究一直處于世界先進(jìn)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(huì)社從 20 世紀(jì) 80 年代末就開始對(duì)直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)進(jìn)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(shì)是 :集機(jī)械、電子、液壓、氣動(dòng)及檢測(cè)等方面的最新技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度高、換?？焖?、工作可靠、噪聲低、防護(hù)完善、精度高。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 3 近年來(lái)又發(fā)展了數(shù)控系統(tǒng)，能和電子機(jī)算機(jī)、 工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)換模系統(tǒng)及自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)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(lái)源 本課題來(lái)源于揚(yáng)州捷邁鍛壓機(jī)械有限公司。 JS-500 精整 壓力機(jī)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)半開、半閉式壓力機(jī)， JS-500 精整 壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)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(yùn)用有限元分析技術(shù)，對(duì) JS-500 精整 壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。通過(guò)本課題的研究 ,為提高壓力機(jī)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(jì)算分析的依據(jù)，增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 1.4 本課題研究的目的及意義 近年來(lái)，由于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)特別是開式壓力機(jī)的需求越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。世界許多壓力機(jī)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(jī)上，研究的方向不但在壓力機(jī)機(jī)身上，而且已轉(zhuǎn)移到整個(gè)壓力機(jī)裝配上，在研究的手段上不但是計(jì)算機(jī)仿真，而且應(yīng)用了許多有效的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置。我國(guó)壓力機(jī)的分析水平還不高，對(duì)機(jī)身的有限元分析很多都局限于靜態(tài)分析，而從動(dòng)態(tài)方面來(lái)研究做得很少。隨著電子 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)床技術(shù)的結(jié)合，強(qiáng)烈要求分析設(shè)計(jì)內(nèi)容完善化、目標(biāo)最優(yōu)化、過(guò)程動(dòng)態(tài)化、使機(jī)床加工高速化、加工過(guò)程自動(dòng)化和柔性化。并且具有可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。只有這樣才能提高我國(guó)機(jī)床的產(chǎn)品質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)名族工業(yè)的生產(chǎn)。 1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容 （ 1）前期準(zhǔn)備： 收集相關(guān)資料，查閱中外文獻(xiàn)、請(qǐng)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(chǎng)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 （ 2）對(duì) JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模； （ 3）了解 JS-500 精整壓力機(jī)工 作性質(zhì)和工作狀態(tài)；對(duì)其進(jìn)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(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 4 （ 4）劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響； （ 5）根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)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(dá)到減輕部件總體質(zhì)量的目的。重新進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)改變尺寸后的剛度和強(qiáng)度。重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直到獲取最佳方案。 （ 6）對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)身結(jié)構(gòu)的固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)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(lái)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(lái)源。這需要我們?cè)谧霎厴I(yè)設(shè)計(jì)之前首先去閱讀并加以理解，然后貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 5 第二章 有限元方法及 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 2.1 有限元方法簡(jiǎn)介 有限元法 (Finite Element Method)簡(jiǎn)稱 FEM，產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 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(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以減輕質(zhì)量、提高強(qiáng)度等，這就推動(dòng)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(wèn)題時(shí)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(jī)械工程等各個(gè)領(lǐng)域嘗試采用有限元方法分析彈性力學(xué)問(wèn)題、流體力學(xué)問(wèn)題、傳熱問(wèn)題等，推動(dòng)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(guò)去想分析而無(wú)法分析的問(wèn)題得到很好的解決，也使各類 問(wèn)題計(jì)算結(jié)果的精度大大提高，同時(shí)引發(fā)了計(jì)算數(shù)學(xué)的革命，帶動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展。據(jù)估計(jì)，目前國(guó)際上，有 90%以上的機(jī)械類產(chǎn)品、土木工程結(jié)構(gòu)要采用有限元分析方法進(jìn)行分析，有 70%的科技文獻(xiàn)中會(huì)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(duì)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(duì)錘桿動(dòng)應(yīng)力分布的影響，為錘桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有用的理論依據(jù) 13。土俊領(lǐng)通過(guò)對(duì)軋機(jī)機(jī)架的有限元分析，找出了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，確定了極限安全系數(shù) 14。土蘇安等針對(duì)某廠 25 噸曲柄連桿式吃剪機(jī)機(jī)架使用 中存在的問(wèn)題，采用 ALGOR 軟件對(duì)吃剪機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析和強(qiáng)度研究，得出了吃剪機(jī)機(jī)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(chǎng)作了多點(diǎn)測(cè)試，其理論值和實(shí)際測(cè)試值吻合較好。并對(duì)吃剪機(jī)架提出了改進(jìn)措施，對(duì)改進(jìn)后的機(jī)架又進(jìn)行了有限元分析。實(shí)踐證明通過(guò)改進(jìn)的曲柄連桿式吃剪機(jī)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(jī)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(duì)機(jī)身強(qiáng)度和剛度的影響，提出了允許偏載域的概念及一些解決問(wèn)題的方法與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 16。史寶軍、管延錦等對(duì)壓力 機(jī)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了研究，并結(jié)合機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用了許多措施，使機(jī)身的結(jié)構(gòu)更合理 1718。史寶軍等主要對(duì) J21-160 型開式壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)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(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 6 輕重量又提高強(qiáng)度、剛度的顯著效果。這說(shuō)明鍛壓機(jī)械的有限元分析已從原來(lái)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程進(jìn)度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)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(lái)，是計(jì)算機(jī)的產(chǎn)物。美國(guó)克勞夫教授運(yùn)用三角形單元對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，并在 1960年首次提出了 “ 有限單元法 ” 這一名稱 21。我國(guó)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(gè)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(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 隨著電子計(jì)算機(jī)速度、容 量的提高 ,商品化有限元程序越來(lái)越廣泛地被人們所接受，人們不必再在編寫程序上花費(fèi)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(diǎn)輸入結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元聯(lián)接信息 。 而且通過(guò)屏幕菜單方式得到了良好的人機(jī)對(duì)話環(huán)境和在計(jì)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(gè)部分，即前處理部分、處理部分和后處理部分。它們通過(guò)互交式計(jì)算機(jī)圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 22。 通過(guò)對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析后，對(duì)強(qiáng)度、剛度相對(duì)薄弱的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn) 23。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 7 隨著計(jì)算機(jī)與有限元軟件的發(fā) 展，用有限元法對(duì)零部件進(jìn)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(xiǎn)截面計(jì)算法。通過(guò)測(cè)試證明，有限元法計(jì)算結(jié)果誤差更小，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供更為可靠的參考依據(jù)。近兩年來(lái)，采用有限元分析法對(duì)機(jī)床在設(shè)計(jì)開發(fā)階段的關(guān)鍵零部件進(jìn)行及時(shí)分析校核，為零部件的反復(fù)優(yōu)化改型設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)，使機(jī)床在生產(chǎn)加工前，其零部件強(qiáng)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(shì)： 1.與 CAD 軟件的無(wú)縫集成 2.更強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力 3.由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題 4.由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求 解發(fā)展到耦合場(chǎng)問(wèn)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(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)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(shí)體建模、網(wǎng)格劃分。 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)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(jìn)行分析類型定 義、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項(xiàng)。 后處理模塊可將計(jì)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(lái)，也可將計(jì)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(lái)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(yùn)行在從個(gè)軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來(lái)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(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)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(jiǎn)介 軟件接口 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共 ANSYS 軟件 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó) 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(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 8 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) 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(guò)程中 CAE軟件 的異構(gòu)問(wèn)題。面對(duì)制造業(yè)信息化大潮、 仿真軟件 的百家爭(zhēng)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(diǎn)是：保持 核心技術(shù) 多樣化的同時(shí)，建立協(xié)同仿真環(huán)境。 與傳統(tǒng) ANSYS 對(duì)比， Workbench 與其主要功能大致相同，有以下幾點(diǎn)： 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(dòng)力學(xué)分析。 2）熱分析。熱分析通過(guò)模擬熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種熱傳遞方式，已確定物體的溫度分布?？梢赃M(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，可以進(jìn)行線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過(guò)程。 2.5 本章小結(jié) 對(duì)本設(shè)計(jì)過(guò)程所需要的理論依據(jù)，工具等作了簡(jiǎn)單介紹，詳細(xì)的請(qǐng)讀者參閱有關(guān)參考文獻(xiàn)。貫穿設(shè)計(jì)過(guò)程中的思想是有限元法，在設(shè)計(jì)的后半部分，還要用到優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其中，將有限元法應(yīng)用到實(shí)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(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中一定要 選對(duì)研究方法和研究工具，掌握研究對(duì)象特點(diǎn)，這樣才能在設(shè)計(jì)過(guò)程中有條不紊地完成每一個(gè)部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，最終順利完成設(shè)計(jì)內(nèi)容，交出一份高質(zhì)量的設(shè)計(jì)報(bào)告。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 9 第三章 壓力機(jī)機(jī)身靜態(tài)分析 3.1 機(jī)身靜力學(xué)分析過(guò)程簡(jiǎn)要流程 3.2 三維實(shí)體建模 SolidWorks 軟件采用了特征建模技術(shù)和設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)、全相關(guān)工程圖、鈑金設(shè)計(jì)、有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真等多項(xiàng)功能， 它為廣大用戶提供了多種多樣的設(shè)計(jì)過(guò)程專用工具。對(duì)于焊件設(shè)計(jì)，可以使用直 觀的布局方法來(lái)迅速獲取設(shè)計(jì)意圖。通過(guò)利用焊縫、角撐板、頂蓋和切割清單，迅速完成焊件設(shè)計(jì)和文檔。它還包含功能強(qiáng)大的鈑金工具，用于在折疊或展開狀態(tài)創(chuàng)建高級(jí)鈑金設(shè)計(jì)。該模塊自動(dòng)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(dòng)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(guò)程。借助 SolidWorks 軟件，用戶可以靈活地在一個(gè)文檔中創(chuàng)建零件、裝配體和工程圖的多個(gè)版本， 由此最大程度地提供重 用機(jī)會(huì)。 實(shí)體模型是在 Solidworks 中建立的，因?yàn)楸救苏J(rèn)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(jìn)行分析。 機(jī)身由前、中、后三塊板，左、右側(cè)兩塊板，以及一個(gè)工作臺(tái)組成。其中，前對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，用 Solidworks 軟件對(duì)機(jī)身進(jìn)行實(shí)體建模 。 將模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 軟件中，進(jìn)行有限元分析。 對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行觀察與總結(jié)，以便后續(xù)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 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(lái)支撐壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲軸。 建模時(shí)，必須對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行改造。壓力機(jī)機(jī)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(shí)相符。 簡(jiǎn)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(tái)、螺釘孔等結(jié)構(gòu)。 機(jī)身是壓力機(jī)的一個(gè)基本支撐部件，工作時(shí)要承受全部工作變形力。因此，機(jī)身的合理設(shè)計(jì)對(duì)減輕壓力機(jī)重量，提高壓力機(jī)剛度，以及減少制造工時(shí)，都具有直接的影響。機(jī)身分為兩大類：即開式機(jī)身和閉式機(jī)身。機(jī)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(jī)機(jī)身為半開半閉的焊接加螺栓結(jié)構(gòu)，左右基本對(duì)稱。 JS500 的主要技術(shù)規(guī)格如下 型 號(hào) : JS-500； 公 稱 壓 力 : 5000KN； 公稱壓行程： 8mm； 滑塊行程長(zhǎng)度： 300mm； 滑塊行程次數(shù)： 30； 工件臺(tái)面尺寸： 前后方向 1100； 左右方向 1200； 工件臺(tái)面板厚： 200； 機(jī)身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 3.3 有限元模型的建立 為了進(jìn)行有限元分析，必須對(duì)于實(shí)體模型進(jìn)行改造，使之成為很多微小的單元和節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化時(shí)，應(yīng)根據(jù)分析類型，只考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來(lái)建立機(jī)身的簡(jiǎn)化模型，因此對(duì)于某些結(jié)構(gòu)凸臺(tái)、螺釘孔、銷孔、圓角等予以忽略。主板和主墊板、隔板、拖動(dòng)架、滑塊之間用螺栓連接，可視為一個(gè)整體。簡(jiǎn)化后機(jī)身實(shí)體幾何模型如圖 3-1 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 11 所示。 圖 3-1 壓力機(jī)實(shí)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(duì)稱性：考察結(jié)構(gòu)是否具有對(duì)稱、反對(duì)稱、軸對(duì)稱的特性，以縮減分析模型的規(guī)模。 2) 幾何模型細(xì)節(jié)： 結(jié)合分析領(lǐng)域和問(wèn)題的類型，考慮幾何模型的細(xì)節(jié)是否可做簡(jiǎn)化處理，如模型的小孔、倒角、小的突起等。 3) 問(wèn)題定性：確定分析問(wèn)題是線性還是非線性問(wèn)題，如果是非線性問(wèn)題，進(jìn)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(chǎng)、模型的形狀、單元的階次、求解的時(shí)間等因素來(lái)選定合適的單元類型。 5) 網(wǎng)格劃分 :需要在耗費(fèi)工時(shí)、計(jì)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(shí)際工況盡可能地等效，載荷施加盡量不做簡(jiǎn)化處理。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 12 7) 求解器 ：結(jié)合分析問(wèn)題類型、硬件資源 、 求解時(shí)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(duì)本課題的分析及研究，確定壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析屬于結(jié)構(gòu)分析中的靜力分析問(wèn)題。幾何模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，是左右對(duì)稱的。由于壓力機(jī)模型是從外部導(dǎo)入產(chǎn)生的，因此，幾何模型細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化處理已經(jīng)考慮過(guò)了。 三維實(shí)體是由帶有二次狀態(tài)方程的高階四面體或六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分的。在這里選擇的是四面體實(shí)體單元 Solid92，如圖 3-2。該單元有 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)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(duì)將要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的體上的所有線估算單元邊長(zhǎng)大小，對(duì)幾何體上的彎曲近似區(qū)域的線進(jìn)行細(xì)化，自動(dòng)生成合理形狀的單元和單元尺寸分布。通過(guò)基本控制和高級(jí)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(gè)單元， 155317 個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。 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(huì)變扭曲 。劣質(zhì)的單元會(huì)導(dǎo)致劣質(zhì)的結(jié)果，或者在某些情況無(wú)結(jié)果 。 有很多方法來(lái)檢查單元網(wǎng)格質(zhì)量 (mesh metrics*)。例如，一個(gè)重要的度量是單元畸變度（ Skewness ）?；兌仁菃卧鄬?duì)其理想形狀的相對(duì)扭曲的度量，是一個(gè)值在 0 (極好的 ) 到 1 (無(wú)法接受的 ) 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 13 之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機(jī)身如圖 3-3 所示。 圖 3-3 機(jī)身網(wǎng)格劃分 3.4.4 接觸設(shè)置 壓力機(jī)軸承孔與滑動(dòng)軸承外圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是接觸問(wèn)題，接觸問(wèn)題需要定義接觸對(duì)，在壓力機(jī)身有限元分析中存在兩個(gè)軸承孔，因此需要定義兩個(gè)接觸對(duì)。在分析之前， 要先在每個(gè)軸承孔內(nèi)分別建一個(gè)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(duì)的壓力機(jī)機(jī)身如圖 3-4 所示。 圖 3-4 接觸對(duì)設(shè)置 在兩個(gè)表面的接觸問(wèn)題中，一個(gè)面一般被作為 “ 目標(biāo)面 ” 來(lái)建立，另一個(gè)作為 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 14 “ 接觸面 ” 。對(duì)于一個(gè)固定，一個(gè)滑動(dòng)的接觸來(lái)說(shuō)，目標(biāo)面是固定的，接觸面是滑動(dòng)的；對(duì)于兩個(gè)都滑動(dòng)的接觸來(lái)說(shuō)，接觸面和目標(biāo)面都與變形體相聯(lián)系。這兩個(gè)面一起被稱為 “ 接觸對(duì) ” 。 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(duì)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(rèn)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(duì)滑動(dòng)