MC80型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化 設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 3 日 MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化 設(shè)計(jì) I 中文摘要 隨著各種結(jié)構(gòu)分析理論和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的提出與成熟，結(jié)合迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)床企業(yè)對于機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的經(jīng) 驗(yàn)、類比、靜態(tài)的設(shè)計(jì)階段，向動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段邁進(jìn)。 利用大型有限元分析軟件 ANSYS,以 MC80 壓力機(jī)機(jī)身為研究對象，對 MC80 壓力機(jī)進(jìn)行三維建模。應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件對壓力機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，在壓力機(jī)機(jī)架滿足足夠的強(qiáng)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(qiáng)企業(yè)競爭力。 為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和壽命降低產(chǎn)成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)從而能夠增強(qiáng)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(jī)機(jī)身 進(jìn)行三維實(shí)體建模； 2. 了解 MC80 壓力機(jī)工作性質(zhì)和工作狀態(tài) ；對其進(jìn)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(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， 評價(jià)載荷對壓力機(jī)工作性能的影響； 4. 對 機(jī)身 模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，求解 機(jī)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(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. 最后對論文的研究內(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， ANSYS， 優(yōu)化設(shè)計(jì) II 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 . IV Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機(jī)的發(fā)展與綜述 . 1 1.1.1 壓力機(jī)的綜述 . 1 1.1.2 我國壓力機(jī)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(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 . 11 3.1 機(jī)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(jì)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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)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(xiàn) . 43 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 1 第一章 緒論 1.1 壓力機(jī)的發(fā)展與 概況 1.1.1 壓力機(jī)的 綜述 裝備制造業(yè)是為國民經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jī)械中 ,機(jī)械壓力機(jī)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(diǎn)。幾十 年來 ,機(jī)械壓力機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)械壓力機(jī)是鍛壓機(jī)械中的一種，是用曲柄連桿或肘桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)械之首。其中開式壓力機(jī)具有開式床身，工作臺在三個(gè)方向都是敞開的，裝卸模具和操作都比較方便，同時(shí)為機(jī)械化和自動化創(chuàng)造了條件；但開式壓力機(jī)因?yàn)槠浯采沓?C 形，工作時(shí)變形大，剛性較差，而床身的強(qiáng)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(jī)床身的靜態(tài)、動態(tài)特性，同時(shí)又能降低床身的結(jié)構(gòu)重量，對于開式壓力機(jī)床身設(shè)計(jì)尤為重要。另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力機(jī)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(jī)最大噸位達(dá)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(dá)到 3000 4000 次 /分。要保證這些大噸位、高精度和高速壓力機(jī)的正常工作，首先應(yīng)該在設(shè)計(jì)壓力機(jī)床身時(shí)必須保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)考慮工作時(shí)的壓力機(jī)的振動情況。 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 2 1.1.2 我國壓力機(jī)的概況 目前我國壓力機(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，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國產(chǎn)壓力機(jī)在高檔次壓力機(jī)領(lǐng)域內(nèi)無法與國外壓力機(jī)相抗衡。隨著 中國加入 WTO，中國的機(jī)床制造企業(yè)的形勢將變得更加嚴(yán)峻，并面臨更為強(qiáng)大的競爭對手，為此，中國的壓力機(jī)制造企業(yè)必須改變原有的傳統(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，來提高我國壓力機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)人員廣為認(rèn)識和發(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。 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(jī)床有限 公司。 MC80 型 壓力機(jī)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(yùn)用有限元分析技術(shù)對 MC80 型 壓力機(jī)進(jìn)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(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)品在市場的競爭力。 1.2.2 要研究和解決的問題 要求運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS 對 MC80 型 壓力機(jī) 進(jìn)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(jì)。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機(jī)機(jī)身部件的強(qiáng)度和剛度，并且根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。模態(tài)分析可以求出 機(jī)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(jī)工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及進(jìn)而改善其結(jié)構(gòu)有重要的意義，為液壓機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。主要任務(wù)內(nèi)容有： （ 1） 對 MC80 型 壓力機(jī)機(jī)身 進(jìn)行三維實(shí)體建模； （ 2） 了解 MC80 型 壓力機(jī) 工作性質(zhì)和工作狀態(tài) ；對其進(jìn)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(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， 評價(jià)載荷對壓力機(jī)工作性能的影響； 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 （ 4） 對 機(jī)身 模型進(jìn)行 約束 模態(tài)分析，求解 機(jī)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(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。 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(jī)。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(shí)用性，我們對此再次就行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)行分析和改進(jìn)。 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(jī)制造公司的TurnerM.L 和 Clough.R ， W ，在分析大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，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?jiǎng)偠染仃嚕l(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(kuò)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(qiáng)、 用戶使用方便、 計(jì)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(qiáng)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(jìn)入 20 世紀(jì) 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(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動力問題，從固體力學(xué)擴(kuò)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(shí)，隨著計(jì)算機(jī)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(jī)界面 、更強(qiáng)的分析功 能、更直觀結(jié)果的顯示方面取得了長足的進(jìn)步，并日益和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 軟件集成 在 一起 ，形成了一個(gè)新的領(lǐng)域 CAE，給工程設(shè)計(jì)帶來巨大的變革。由于有限元法特別適合于計(jì)算機(jī)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(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 5 有限元分析在工程設(shè)計(jì)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(gè)方面：增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 ，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時(shí)間；模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù) ，從而減少 試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。 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(diǎn)： （）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(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 （）強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)大的非線性分析功能。 具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)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(diǎn)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(jì) 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(gè)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(jì)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(jì)算； (2)由求解線性工程問題進(jìn)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(gè)、且按一定方式相互聯(lián)接在湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jìn)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(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)來分片地表達(dá) 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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，未知場函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值就成為新的未知量 ( 即自由度 ) ，從而使一個(gè)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(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)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(jìn)，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(jìn)行單個(gè)兒劃分和分片近似，其計(jì)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(gè)離散體 (單元體 )，并在單元體指定點(diǎn)設(shè)置結(jié)點(diǎn)，把相鄰的單元體在結(jié)點(diǎn)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(jìn)行特性分析。分析方法可按節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)式作為位移函數(shù)，因多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)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(xiàng)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(diǎn)位移表示單元內(nèi)任一點(diǎn)位移的關(guān)系式， 其矩陣形式是： 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 7 式中， 為單元內(nèi)任一點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(dá)式 (2-1)導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移來表示單元應(yīng)變的關(guān)系式，尋求結(jié)點(diǎn)位移與應(yīng)變的關(guān)系，即： =B 式中， 是單元內(nèi)任一點(diǎn)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(dá)式 (2-2)導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式 (節(jié)點(diǎn)平衡方程 )，即： 式中， 在積分遍及整個(gè)單元的體積，為單元?jiǎng)偠染仃嚕?R為單元上節(jié)點(diǎn)力列陣。 (4)計(jì)算單元的等效節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)力在任何虛位移上所做的虛功都相等的原則來進(jìn)行的。 (5)集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程 這個(gè)集合過程包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是由各個(gè)單元的剛度矩陣集合成整個(gè)物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力列陣集合成總的荷載列陣。湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(diǎn)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(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移列陣 S表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程： K=R (6)求解未知節(jié)點(diǎn) 位移和節(jié)點(diǎn)等效荷載以及整體剛度矩陣組成的平衡方程解出節(jié)點(diǎn)位移，然后利用公式和已求出的節(jié)點(diǎn)位移來計(jì)算各單元的應(yīng)力，最后利用公式求出單元內(nèi)任一點(diǎn)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(jì)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(jì)算能力，此程序包在結(jié)構(gòu)分析方面具有強(qiáng)大的功能 !在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常會遇到各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析問題：如機(jī)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(jī)械模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，通過應(yīng)力 應(yīng)變云圖直觀展示構(gòu)件的性能特點(diǎn)，從而為解決機(jī)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(jì)人員對實(shí)際生產(chǎn)方案作出準(zhǔn)確的判斷，節(jié)省物力財(cái)力，為提高生產(chǎn)效率及縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期的產(chǎn)生有很大的作用 3。 ANSYS 軟件計(jì)算分析的原理是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個(gè)單元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連續(xù)的一組單元的集合體，時(shí)選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一個(gè)插值函 數(shù)來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)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(diǎn)未知量的有限元方程，從而將一個(gè)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(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合上的場函數(shù)。 ANSYS 典型的分析過程由前處理、求解計(jì)算和后處理個(gè)部分組成。 前處理：有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計(jì)算模型或數(shù)學(xué)模型，它為計(jì)算提供原始的數(shù)據(jù)。建模是整個(gè)有限元分析過程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度、計(jì)算時(shí)間的長短及計(jì)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(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 9 （） 定義單元類型和選項(xiàng) ； （） 定義實(shí)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(jìn)行網(wǎng)格劃分 ； 選擇單元的要點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(shí)體模型或 （有限元分析）模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上加載。直接在實(shí)體模型加載優(yōu)點(diǎn)是幾何模型加載獨(dú)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(shí)加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時(shí) 。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(shí)體的載荷將自動轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。 后處理：后處理是將計(jì)算所得的結(jié)果可視化。有兩個(gè)后處理器：通用后處理器，它只能觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果；時(shí)間歷程后處理器，可觀看模型在不同時(shí)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(jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)； 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示； 可對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表顯示； 進(jìn)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(jī)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(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 10 個(gè)學(xué)科領(lǐng)域 !隨著發(fā)展， ANSYS 提供的機(jī)械工程仿真技術(shù)將越來越成熟，設(shè)計(jì)人員以真正耦合的方式使用 ANSYS 技術(shù)，可獲得符合現(xiàn)實(shí)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(gè)耦合物理場進(jìn)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(diǎn)和具體的使用方法。對其中的一些公式方程我們也進(jìn)行了說明和列舉。 湯躍 進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 11 第三章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 3.1 機(jī)身簡介 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。我所研究的 MC80 壓力機(jī)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(zhǔn)行程次數(shù) : 225mm 行程 100 次 /分； 機(jī)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(jìn)行有限元分析，必須對于實(shí)體模型進(jìn)行改造，使之成為很多微小單元和節(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)格生成單元以及添邊界條件等步驟。 MC80 壓力機(jī)機(jī)身上有底座，有加強(qiáng)板、凸臺，油泵等，在建立有限元模型時(shí)，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(shí)相符，因此，按照等效截面方法對機(jī)身進(jìn)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)