機(jī)械畢業(yè)設(shè)計14畢業(yè)論文_壓磚機(jī)的有限元分析

1 第 1 章 緒論 1.1 課題研究背景 液壓壓磚機(jī)是陶瓷工業(yè)中用于墻地磚壓制成形的必不可少的機(jī)械設(shè)備。目前我國在實際生產(chǎn)中采用的壓磚機(jī)類型主要有鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī) 、 開式液壓壓磚機(jī) 、 閉式液壓壓磚機(jī)等類型，但工作時都普遍存在壓磚機(jī)變形較大，剛性較差，而壓磚機(jī)的強(qiáng)度、剛度將直接影響到零件加工精度、 壓磚機(jī) 導(dǎo)軌的磨損和模具的壽命等。因此如何優(yōu)化壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)，提高壓磚機(jī)的靜態(tài)、動態(tài)特性，同時又能降低壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，對于液壓壓磚機(jī)的設(shè)計尤為重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓磚機(jī)正向大噸位、高精度和高速度發(fā)展。要保證這些大噸位、高精度和壓磚機(jī)的正常工作，首先應(yīng)該在設(shè)計壓力機(jī)壓磚機(jī)時必須保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時考慮工作時的壓力機(jī)的振動情況。目前我國壓力機(jī)壓磚機(jī)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 壓磚機(jī) 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，國產(chǎn)高檔次的壓力機(jī)領(lǐng)與國外壓力機(jī)相比存在很大的差距。隨著中國加入 WTO，中國的制造企業(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)計方法，以先進(jìn)的設(shè)計制造手段作為技術(shù)支撐，來提高我國 壓力機(jī)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)分析方法己為工程技術(shù)設(shè)計人員廣為認(rèn)識和發(fā)展，在壓磚機(jī)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(jì)效益。 1.2 國內(nèi)外 全自動液壓壓磚機(jī)研究 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.2.1 國外全自動液壓壓磚機(jī)的發(fā)展 世界各國生產(chǎn)陶瓷磚除了塑性法、注漿法成型坯體之外，只要是采用顆粒狀粉料壓力成型工藝的基本上都是走過手工錘打 半機(jī)械化的摩擦壓力錘 機(jī)械式壓力機(jī) 摩擦 液壓機(jī)成型 全自動液壓機(jī)成型的道路。因此，當(dāng)今各 地企業(yè)選用的自動液壓壓磚機(jī)其實是實踐經(jīng)驗總結(jié)的應(yīng)用，是目前最普遍最先進(jìn)的方法，但不是唯一的方法。世界上對陶瓷墻地磚制品與專用裝備開發(fā)比較早又長期堅持下來的國家， 首 推意大利，其次是德國、美國。 1983 年佛山引進(jìn)投產(chǎn)的生產(chǎn)線配用的是臺 2000 型摩擦 液壓壓磚機(jī)，此機(jī)的實質(zhì)還是摩擦錘，液壓機(jī)構(gòu)作為操作手段。之后，引進(jìn)薩克米公司的 500、 2 550、 600、 1000 型，西蒂公司的 800、 1200 型，德國萊斯公司的 600、 1100、 1500 型等等，在上世紀(jì)的 80 年代末 90 年代初，才真正出現(xiàn)以液壓機(jī)構(gòu)為主的液壓壓磚機(jī)， 級別上屬于中小型機(jī)。中國在 1995 年之后，出現(xiàn)生產(chǎn)制作 500 毫米 500 毫米至 1000 毫米1000 毫米大規(guī)格磚的趨勢，為此，娜塞堤等公司才研發(fā)了 5000 噸級的大型壓磚機(jī)并首先進(jìn)入中國市場。 1999 年，世界最大的 7200 噸壓磚機(jī)進(jìn)入中國市場。由此可知，意大利、德國、日本生產(chǎn)制造全自動液壓壓磚機(jī)的歷史是 15 20 年的事情。這些國家產(chǎn)品的共同點都是以液壓機(jī)構(gòu)為工作機(jī)構(gòu)，引入當(dāng)代的科技成果，逐步完善，最終走向機(jī)電液一體化的高技術(shù)裝備。但他們又都保持著企業(yè)的特點，如在液壓油路的設(shè)計、控制顯示手段、機(jī)架結(jié)構(gòu)、布料系統(tǒng) 設(shè)計等。國外的壓磚機(jī)企業(yè)緊跟行業(yè)終端產(chǎn)品而開發(fā)，緊跟社會的新科技不斷提高，不輕易放棄自己的特色等做法應(yīng)對中國壓磚機(jī)的研制有重要的借鑒作用。 1.2.2 國內(nèi) 全自動液壓壓磚機(jī)的 發(fā)展 我國由國家主管部門立項、自主研究取得成果，并一直影響堅持到今天的現(xiàn)代化全自動液壓壓磚機(jī)的研制應(yīng)從 1986 年開始算起。由原國家建材局立項，咸陽陶瓷研究設(shè)計院牽頭，華南理工大學(xué)、佛山陶機(jī)總廠聯(lián)合研制的 600 型機(jī)于 1989 年通過鑒定，1993 年之后，逐步形成批量生產(chǎn)。力泰公司以此機(jī)型延伸形成系列化產(chǎn)品，由 600 噸至7200 噸級，直至 今天許多型號仍是國內(nèi)市場銷售的主要機(jī)型。上世紀(jì) 90 年代，福建海源企業(yè)以其充沛的開發(fā)能力，引入新技術(shù)，最早突破千噸級以上壓磚機(jī)的研制開發(fā)并率先通過國家級鑒定，也先后成功推出超千噸系列產(chǎn)品投放國內(nèi)市場。 1999 年，廣東科達(dá)機(jī)電公司一舉成功推出 3200 噸級壓磚機(jī)并通過國家級鑒定，開創(chuàng)中國設(shè)計生產(chǎn)大型壓磚機(jī)的年代，而發(fā)展到現(xiàn)在更是出現(xiàn)了 7800 噸的壓機(jī)。因此中國對現(xiàn)代壓磚機(jī)的研制開發(fā)是前后近 20 年的事，形成了由 “力泰 ”、 “海源 ”、 “科達(dá) ”家能生產(chǎn)大型壓機(jī)的企業(yè)作為龍頭，另有十幾家生產(chǎn)中小型壓磚機(jī)的企業(yè)并存局面。 估計不久的將來，還會出臺超萬噸級的壓磚機(jī)，滿足高效生產(chǎn)超大規(guī)格尺寸磚的需求 1。 1.3 本課題研究的主 要內(nèi)容與技術(shù)方案 本課題基于有限元分析軟件 ANSYS WORKBENCH 和 PRO/MECHANICA 平臺，對WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)關(guān)鍵零、部件 進(jìn)行 有限元結(jié)構(gòu)分析 。技術(shù)方案流程圖，如圖1.1 所示。具體的方案如下： 3 圖 1.1 技術(shù)方案流程圖 （ 1） 研究 WL1700 型全自動液壓壓磚機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù) ， 和模型特點， 為分析提供相 應(yīng)的 理論 基礎(chǔ)； （ 2）利用有限元方法對壓磚機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，分析出它的振動特性，找出振動中危險的位置； （ 3） 存在最大靜 載荷 時，對 機(jī)架 、 活動橫梁進(jìn)行 靜力 學(xué)分析， 分析結(jié)構(gòu)的應(yīng) 力 、應(yīng)變 和 變形位移的分布規(guī)律，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度較核 ； （ 4）基于活動橫梁的模態(tài)分析，對活動橫梁動態(tài)時域分析，找出應(yīng)力最集中的部位應(yīng)力隨時間變化的規(guī)律； （ 5）對活動橫梁進(jìn)行疲勞分析，找出疲勞循環(huán)次數(shù)、疲勞 破壞、安全系數(shù)、疲勞靈敏性。分析出活動橫梁能不能達(dá)到疲勞強(qiáng)度的設(shè)計的要求 ； （ 6）在活動橫梁靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對活動橫梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化 ，找出活動橫梁能夠去除材料的部位，為活動橫梁的質(zhì)量優(yōu)化提供參考； （ 7）綜合以上的分析結(jié)果，對壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu) 提出相關(guān)的 修改 方案 ，以使液壓壓磚機(jī)的結(jié)構(gòu)趨于合理達(dá)到優(yōu)化的目的。 研究 WL1700 型全自動液壓壓磚機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù) 、模型特點 基 于 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS WORKBE 和 PRO/MECHANICA 平臺，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析 關(guān)鍵零、部件 PRO/E 模型 有限元分析結(jié)果評價 4 第 2 章 壓磚機(jī)有限元分析的理論基礎(chǔ) 2.1 全自動液壓壓磚機(jī)的工作原理、基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點 2.1.1 全自動液壓壓磚機(jī) 的工作原理 全自動液壓壓磚機(jī)的工作原理其實可以簡化說明為液壓機(jī)的工作原理 1。液壓機(jī)是利用液壓壓力能來傳遞能量，以實現(xiàn)各種壓力加工工藝的機(jī)器。液壓機(jī)根據(jù)帕斯卡原理制成。 1 小柱塞，在力 F1=4P/d12 作用下 ，將經(jīng)過連接管道等值傳至大柱塞或活塞 2 上，使磚坯 3 受到作用力 F2=D12P/4，所以可得 F2=F1（ D2/D1），由于 D2D1,則 F2F1。由此可知，全自動液壓壓磚機(jī)就是利用在小柱塞上的較小作用力 F1，可以在大柱塞上產(chǎn)生很大的作用力 F2 ，其工作原理圖 2.1 所示。 F 2F 2F 1321圖 2.1 全自動液壓壓機(jī)工作原理圖 1-小柱塞 2-大柱塞 3-坯體 2.1.2 全自動液壓壓磚機(jī) 的基本參數(shù) 基本參數(shù)是 全自動 液壓 壓磚 機(jī)的基本技術(shù)數(shù)據(jù)，是根據(jù)液壓機(jī)的工藝用途及結(jié)構(gòu)類型來確定的，它反映了 它的 工作能力及特點，也基本上定下了 它 的輪廓尺寸及本體總重。另外，基本參數(shù)也是用戶選購時的主要數(shù)據(jù) 1。 全自動 液壓 壓磚 機(jī)的基本參數(shù)有以下內(nèi)容 ： （ 1） 公稱壓力：指液壓機(jī)名義上能產(chǎn)生的最大力量，它反映了液壓機(jī)的主要工作能力 ； （ 2） 最大凈空距：指活動橫梁停在上限位時，從工作臺上表面到活動橫梁下表面的距離，它反映了液壓機(jī)在高度方向上工作空間的大小 ； 5 （ 3） 最大行程：指活動橫梁能夠移動的最大距離，應(yīng)根據(jù)工件成型過程中所要求的最大工作 行程來確定，它直接影響工作缸和回程缸及其柱塞的長度及整個機(jī)架的高度 ； （ 4） 工作臺尺寸：指工作臺面上可以利用的有效尺寸，它取決于模具的平面尺寸及工藝過程的安排 ； （ 5） 回程力：滑塊返程時所需要的驅(qū)動力 ； （ 6） 活動橫梁運(yùn)動速度：分為工作行程速度、空行程速度及回程速度 ； （ 7） 允許最大偏心距 ： 指工件變形阻力接近公稱壓力所允許的最大偏心值。 本課題中分析的 WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表 2.1 表 2.1 WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù) 壓機(jī)技術(shù)性能 單位 數(shù)值 公稱壓制力 kN 17000 模芯頂出力 kN 210 最大行程 mm 140 立柱間距 mm 1700 活動橫梁寬度 mm 680 最大填料深度 mm 60 主油缸內(nèi)最大工作壓力 MPa 33.8 液壓系統(tǒng)工作壓力 MPa 16 主電機(jī)功率 kW 75 工作循環(huán)次數(shù) 次 /min 18 工作周期中加壓次數(shù) 次 2 或 3 整機(jī)質(zhì)量 t 46 2.1.3 WL1700 全自動液壓壓磚機(jī) 的結(jié)構(gòu) WL1700 全自動液壓壓磚由本體 (主機(jī) )及 液壓系統(tǒng)兩部分組成， 壓磚機(jī)主機(jī)部分 ,如圖 2.2 所示。它由上橫梁、下橫梁、四個 立柱和十六個內(nèi)外螺母組成一個封閉架框，框架承受全部工作載荷。工作油缸固定在上橫梁上，工作油缸內(nèi)裝有工作柱塞，它與活動橫梁連接。活動橫梁以四根立柱為導(dǎo)向，在上、下橫梁之間往復(fù)運(yùn)動。上模裝在活動橫梁的下表面上，下模裝在下橫梁的工作臺上。當(dāng)高壓液體進(jìn)入工作缸后，在工作柱塞上產(chǎn)生很大的壓力，并推動柱塞、活動橫梁及上模向下運(yùn)動，使坯體在上模、下模之間產(chǎn) 6 生塑變形。回程 油缸固定在下橫梁上，其中有回程柱塞，它與活動橫梁相連接?；爻虝r ,工作油缸為低壓，回程油缸為高壓，使回程柱塞向上運(yùn)動，帶動活塞橫梁回到原始位置，完成一個工作 循環(huán)。 圖 2.2 WL1700 全自動液壓壓磚 本文研究的 WL1700 型壓磚機(jī)機(jī)架采用螺栓預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)計時充分考慮到WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)的工況特點以及機(jī)架結(jié)構(gòu)中的橫梁和立柱的剛度問題，結(jié)構(gòu)合理，變形小，壽命長。該機(jī)的主要特點如下： （ 1）臺面寬，頻率快，生產(chǎn)效率高； （ 2）采用強(qiáng)大的立柱導(dǎo)向，工作精度高； （ 3）頂出裝置采用全液壓控制，液壓鎖模，操作方便； （ 4）泵站采用全過濾液壓裝置，確保液壓系統(tǒng)清潔度，降低壓機(jī)故障率； （ 5）活動橫梁的運(yùn)動速度由比例插裝閥控制，線性位移傳感器檢測位置，控制精度高，可在任意位置進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換控制； （ 6）裝置為獨立輔機(jī)，可移開，拆裝模具方便；料耙由油馬達(dá)驅(qū)動，速度快，比例閥控制，可在任意位置進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換控制，精度高； 7 （ 7）大型可編程序控制器，友好的人機(jī)界面，豐富的信息提示，操作、調(diào)節(jié)、維護(hù)極為方便。 2.2 有限元法 基本原理 2.2.1 有限元法基本思想 有限元的基本思想是：將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(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，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一插值函數(shù)以求表示單元 中中場函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)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 6。 2.2.2 有限元 分析步驟 有限元法分析問題的基本步驟 11： (1)結(jié)構(gòu)的離散化。離散化就是將要分析的結(jié)構(gòu)分割成有限個單元體，并在單元體的指定點設(shè)置節(jié)點，使相鄰單元的有關(guān)系數(shù)具有一定的連續(xù)性，并構(gòu)成一個單元的集合體以代替原來的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)離散化時，劃分的單元大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計算精度的要求和計算機(jī)的容量來決定。 (2)選擇位移差值函數(shù)。為了能用節(jié)點位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中 位移的分布作一定的假設(shè)，即假定位移是坐標(biāo)的某個簡單的函數(shù)。選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)是有限單元法分析中的關(guān)鍵。通常采用多項式作為位移函數(shù)。 (3)分析單元的力學(xué)特性。利用幾何方程、結(jié)構(gòu)方程和變分原理最終得到單位剛度矩陣。 (4)集合所有單元的平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。先將各個單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點力列陣集合成總的載荷列陣。 (5)由平衡方程組求解未知節(jié)點位移和計算單元應(yīng)力。 2.2.3 有限元 法求解步驟 對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體 公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同 11。有限元求解問題的基本步驟如下： （ 1） 問題及求解域定義。根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 （ 2） 求解域離散化。將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小 (網(wǎng)絡(luò)越細(xì) )則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化 8 是有限元法的核心技術(shù)之一。 （ 3）確定狀態(tài)變量及控制方法。一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解 ，通常將微分方程化為等價的泛函形式。 （ 4）單元推導(dǎo)。對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣 (結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣 )。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則要遵循。對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺陷的危險，將導(dǎo)致無法求解。 （ 5）第五步，總裝求解。將單元總裝形成離散域的總矩陣方程 (聯(lián)合方程組 )反映對近似求解 域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù) (可能的話 )連續(xù)性建立在結(jié)點處。 （ 6）聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋。有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭代法和隨機(jī)法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。 2.2.4 有限元 法的優(yōu)點 有線元法的特點是適用于求解各種形式 (幾何上、物理上 )復(fù)雜的問題，精度高，通用性強(qiáng)，對問題的處理既徹底又系統(tǒng)，適用于采用電子計 算機(jī)方式。它本是線性問題的解法，但通過迭代法 (如牛頓一拉裴森迭代法 )也能巧妙地解決非線性問題 12。其優(yōu)點如下： (1)概念淺顯，容易掌握?？梢栽诓煌乃缴辖⑵饘υ摲ǖ睦斫猓豢梢酝ㄟ^非常直觀的物理概念來理解；也可以建立基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析的理論。 (2)適用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題。 (3)采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計算機(jī)程序，可以充分利用高速計算機(jī)所提供的方便。 2.3 計算軟件的選擇 本課題 采用 ANSYS WORKBENCH 和 PRO/MECHANICA 有限元分析軟件， 對WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)關(guān)鍵零、部件 進(jìn)行 有限元結(jié)構(gòu)分析 。 2.3.1 ANSYS WORKBENCH 軟件簡介 9 ANSYS WORKBENCH 軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元商用分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、電子、造船、汽車交通、國防工業(yè)、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。其分析類型有：結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析、電壓分析 15。 ANSYS WORKBENCH 軟件具有以下三個方面的特點： （ 1）強(qiáng)大而廣泛的分析功能：可廣泛用于求解結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等多物理及多場耦合的線性、非線性問題； （ 2）一體化的處理技術(shù)：主要包括幾何模型的建立、自動網(wǎng)格劃分、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計等許多功能及使用工具； （ 3）豐富的產(chǎn)品系列和完善的開放體系：不同的產(chǎn)品配套可應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。 ANSYS WORKBENCH 分析過程包含 3 個主要的步驟： （ 1）創(chuàng)建有限元模型，并定義材料屬性和劃分網(wǎng)格； （ 2）施加載荷并求解； （ 3）查看結(jié)果，并分 析結(jié)果的正確性。 2.3.2 PRO/MECHANICA 軟件簡介 PRO/MECHANICA 是 美國 PTC 公司推出的可以完全實現(xiàn)幾何建模和有限元分析的無縫集成 軟件 。用戶在 PRO/ENGINEER 環(huán)境下完成零件的幾何建模后，無需退出設(shè)計環(huán)境就能進(jìn)行有限元分析 17。 （ 1） PRO/MECHANICA 軟件包是由以下 3 個模塊組成的。 PRO/MECHANICA Structure 結(jié)構(gòu)分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)械零件、汽車結(jié)構(gòu)、橋梁和航空結(jié)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計。它能夠完成的分析種類有靜力分析、模態(tài)分析、屈曲分析 、疲勞分析、非線性大變形分析等。 （ 2） PRO/MECHANICA Thermal 溫度分析模塊，可以進(jìn)行零件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分析。其分析數(shù)據(jù)可以返回到結(jié)構(gòu)分析模塊，進(jìn)行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計。 （ 3） PRO/MECHANICA Motion 運(yùn)動分析模塊，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、三維靜態(tài)分析和干涉檢查等。 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了全自動液壓壓磚機(jī)的工作原理，結(jié)構(gòu)特點以及其基本參數(shù)，同時詳 10 細(xì)論述了有限元法 基本思想、有限元分析步驟、有限元法求解步驟及有限元法的優(yōu)點。為 WL1700 全 自動液壓 壓磚機(jī) 關(guān)鍵零、部件 有限元 結(jié)構(gòu)分析 打下基礎(chǔ)。 11 第 3 章 全自動液壓壓磚機(jī)的模態(tài)分析 3.1 模態(tài)分析的 概述 模態(tài)分析用于提取結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，模態(tài)分析的重要性不僅是為了避免機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)在工作時發(fā)生共振，事先算出它們的固有頻率和振型，而且還是分析結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和其他動力特性的基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，固有頻率和振型對于動載荷下的響應(yīng)是非常重要的參數(shù)，因為結(jié)構(gòu)的基本模態(tài)信息能有助于得出其動力 響應(yīng)的特征。 3.2 壓磚機(jī)模態(tài)分析 全自動液壓壓磚機(jī)在實際的工況中，當(dāng)活動橫梁快速返回到極限位置的時候，將會對上橫梁及其它部件產(chǎn)生最大的沖擊振動，因此也將該時刻 壓磚機(jī)的模型作為有限元模態(tài)分析的對象 。 3.2.1 模型參數(shù) 把壓磚機(jī) 的 PRO/E 模型 直接 導(dǎo)入到 ANSYS WORKBECH 中。定義壓磚機(jī)模型各零件的材料屬性 ，把 立柱、大螺母、柱塞、油缸套 、下橫梁、 上橫梁 定義 為結(jié)構(gòu)鋼，活動橫梁 定義 為鑄鐵。由于在 ANSYS WORKBECH 中 ，只要 定義好了屬于那種材料之后 ，材料的泊松比、彈性模量、密度 的 材料屬性就 自動 設(shè)置好 了，材料屬性如表 3.1。 表 3.1 壓磚機(jī)的材料屬性 材料名稱 泊松比 彈性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 結(jié)構(gòu)鋼 0.3 2 105 7.85 10-6 鑄鐵 0.28 1.1 105 7.2 10-6 3.2.2 網(wǎng)格劃分 模態(tài)分析中，把模型劃為較粗的網(wǎng)格，對于模型的固有頻率和振型的計算精度影響不大，但是可以減少計算時間。所以在壓磚機(jī)模態(tài)分析中，把模型的網(wǎng)格劃得較粗。 由于壓磚機(jī)是一種框架結(jié)構(gòu)，用三維實體單元來描述該結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)架的實際情況。在 ANSYS WORKBENCH 軟件種，三維實體單元有兩種：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在劃分是要求結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，而對于壓磚機(jī)這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對 其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動劃分十分困難，而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元劃分比較靈活， 12 可以逼進(jìn)復(fù)雜的幾何形狀，因此，對機(jī)架的網(wǎng)格劃分采用四面體單元。因此 使 用系統(tǒng) 默認(rèn) （四面體單元）的 網(wǎng)格劃分 方式對 壓磚機(jī)模型 進(jìn)行 網(wǎng)格劃分 ，得到： 137377 個節(jié)點，91568 個單元， 其 模型網(wǎng)格圖，如圖 3.1 所示 。 圖 3.1 網(wǎng)格 3.2.3 約束 在實際情況中， 壓磚機(jī) 的下橫梁通過螺栓固定于地基之上。因此，對壓磚機(jī)模型的 下橫梁的下底面添加固定約束，如圖 3.2所示 。 圖 3.2 約束 3.2.4 壓磚機(jī)模態(tài)分析結(jié)果評價 壓磚機(jī)自由振動 前六階振型 云圖 ，如圖 3.3， 3.4， 3.5， 3.6， 3.7， 3.8 所示 。壓磚 13 機(jī)模態(tài)分析結(jié)果 ，總結(jié) 如表 3.2 。 圖 3.3 一階模態(tài) 云圖 圖 3.4 二階模態(tài) 云圖 14 圖 3.5 壓磚機(jī)三階模態(tài) 圖 3.6 壓磚機(jī)四階模態(tài) 15 圖 3.7 五階模態(tài) 云圖 圖 3.8 六階模態(tài) 云圖 16 表 3.2 壓磚機(jī)模態(tài)分析結(jié)果總結(jié) 模態(tài) 階數(shù) 自由振動頻率（ Hz） 最大振幅（） 模態(tài)振型描述 1 17.02 0.349 壓磚機(jī) 上部前后彎曲振動 2 37.7 0.247 壓磚機(jī) 上部左右彎曲振動 3 52.19 0.364 壓磚機(jī) 左右兩端扭轉(zhuǎn)振動 4 90.1 0.419 上橫梁的上部和活動橫梁下部繞其中部作前后轉(zhuǎn)動振動 5 114.7 0.211 上橫梁和活動橫梁的中部 上下伸縮震動 6 148.54 0.450 上橫梁和活動橫梁繞它們中部左右轉(zhuǎn)動振動 一階振型（ f1= 17.02 Hz ）為 壓磚機(jī)上 部前后彎曲振動，該振動將會增大 壓磚機(jī) 四個拐角處的 彎 矩，從而增加其應(yīng)力，同時加劇導(dǎo)套的磨損。 二階振型（ f2=37.7Hz ）為 壓磚機(jī) 上部左右彎曲振動，該振動將增大上下橫梁的 彎矩，同時加劇導(dǎo)套的 磨損，給上模及液壓缸的使用壽命帶來不利影響。 三階振型（ f3 52.197Hz ）為 壓磚機(jī) 左右兩端受扭轉(zhuǎn)振動，該振動將會增大上下橫梁的扭矩，同時加劇立柱的磨損。 四階振型（ f4=90.1 Hz）為上橫梁的上部和活動橫梁下部繞其中部作前后轉(zhuǎn)動振動，該振動將會增大四個拐角處的彎矩，同時，加劇 壓磚機(jī) 導(dǎo)向部分的磨損。 五階振型 （ f5=114.7 Hz ）為上橫梁和活動橫梁上下伸縮振動，該振動也將增大機(jī)架四個拐角的應(yīng)力，同時，對與壓磚機(jī)上橫梁相連接的上模以及與下橫梁相聯(lián)接的液壓缸、立柱、大螺母使用壽命產(chǎn)生不利影響。 六階振型（ f6 148.54 7Hz ）為上橫梁和活動橫梁繞它們中部左右轉(zhuǎn)動振動，該振動將會增大上橫梁的彎矩和四個拐角的應(yīng)力同時加劇立柱部分的磨損。 從以上的振型分析可以看到， 壓磚機(jī) 不僅有前后，上下及左右方向的彎曲振動，而且有扭轉(zhuǎn)振動，這些振動將影響 壓磚機(jī) 的強(qiáng)度和剛度，加重 壓磚機(jī) 立柱的磨損，影響的陶瓷磚精度及模具和液壓缸的使用壽命。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)適當(dāng)增加局部剛度和阻尼來抑制這些振動的影響。 對 壓磚機(jī) 前六階模態(tài)分析 可得 ： （ 1） 壓磚機(jī) 整體的剛度和質(zhì)量分布較為均衡，無明顯的薄弱部位和過剩部位，這有利于 壓磚機(jī)的動力性能； 17 （ 2） 壓磚機(jī) 的最小 固有 頻率為 17.02Hz 。 （而機(jī)架的沖擊頻率最大為 0.3Hz 即 18次每分鐘），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其沖擊頻率，因而該壓磚機(jī)不會發(fā)生共振 綜上所述， WL1700 全自動液壓壓 磚 機(jī)具有合理的動態(tài)參數(shù)，符合設(shè)計要求。 3.3 本章小結(jié) 本章通過對 壓磚機(jī)的 模態(tài)分析 ， 可知 壓磚機(jī) 的模態(tài) 特性 主要取決于： （ 1） 壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布 ； （ 2） 壓磚機(jī) 結(jié)構(gòu)的剛度及其所受的約束情況。 18 第 4 章 機(jī)架的靜力學(xué)分析 壓磚機(jī)的機(jī)架在傳統(tǒng)的設(shè)計中，都顯得笨重，而且在一些零件的關(guān)鍵部位出現(xiàn)強(qiáng)度不夠。本章通 過對機(jī)架的靜力學(xué)分析，得到機(jī)架的全場應(yīng)力、應(yīng)變、位移的情況， 并進(jìn)行強(qiáng)度較核，找出設(shè)計的缺陷。 4.1 結(jié)構(gòu)靜力 學(xué)分析概述 結(jié)構(gòu) 靜力 學(xué) 分析是用于 分析穩(wěn)態(tài) 載 荷或固定不變的慣性載荷（如重力和離心力）引起的系統(tǒng)或部件的 應(yīng)力 、應(yīng)變、變形位移 等。 結(jié)構(gòu) 靜力 學(xué) 分析包括線性和非線性分析 11。 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的方程： Kx=F （ 4.1） 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析就是按方程 4.1 平衡關(guān)系確定計算的，其中 K為剛度系數(shù)矩陣， x為位移矢量， F為力矢量 11。 4.2 機(jī)架靜力學(xué)分析 4.2.1 模型參 數(shù) 在 機(jī)架的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析時，認(rèn)為活動橫梁與立柱之間的運(yùn)動不應(yīng)有干涉 ，因此去掉活動橫梁 及與活動橫梁連接的柱塞和模具。所以壓磚機(jī)整機(jī) PRO/E 模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化之后，直接 導(dǎo)入到 ANSYS WORKBENCH 中。定義機(jī)架的材料屬性，定義為 上 橫梁 、下橫梁、立柱、油缸套、大螺母 為 結(jié)構(gòu)鋼。材料參數(shù)如表 4.1。 表 4.1 壓磚機(jī)的材料屬性 材料名稱 泊松比 彈性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 結(jié)構(gòu)鋼 0.3 2 105 7.85 10-6 4.2.2 網(wǎng)格劃分 由于機(jī)架是一種框架結(jié)構(gòu)，用三維實體單元來描述機(jī)架 結(jié)構(gòu)，更能放映機(jī)架的實際情況。在 ANSYS WORKBENCH 軟件種，三維實體單元有兩種：六面體單元和四面體單元。由于六面體單元在劃分是要求結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，而對于機(jī)架這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動劃分十分困難，而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元劃分比較靈活，可以逼進(jìn)復(fù)雜的幾何形狀，因此，對機(jī)架的網(wǎng)格劃分采用四面體單元。 并且對可 19 能出現(xiàn)危險部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以至分析的結(jié)果能較為精確。 劃分網(wǎng)格的結(jié)果是模型中共有 213752 個節(jié)點， 140050 個單元，機(jī)架模型網(wǎng)格如圖 4.1 所示 。 圖 4.1 機(jī)架模型網(wǎng)格圖 4.2.3 約束和載荷 根據(jù)實際情況，對 下橫梁的下表面施加 固定約束 。 從 WL1700 全自動液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表 2.1，可知主油缸的最大工作壓力為 33.8MPa，作用在下橫梁上表面 的 作用力 F 由工程壓制力和活動等零部件的重力產(chǎn)生，作用力的大小為 17701301N，它與下模具接觸的面積為 1041253mm2,所以作用于下橫梁上表面的壓力 P 的大小如下： P=F/S=177000130/1041253=17MPa (4.2) 上橫梁主油缸內(nèi)的 載荷 按均布載荷作用在油缸內(nèi)壁 ； 下橫梁與下模具接觸表面的載荷也按 均布載荷 考慮 1。 施加約束和載荷的結(jié)果，如圖 4.2 所示。 20 如圖 4.2 施加壓機(jī)架模型的約束和載荷 4.2.3 機(jī)架靜力學(xué)分析結(jié)果評價 機(jī)架靜力學(xué)分析云圖，如圖 4.3， 4.4， 4.5 所示。分析結(jié)果總結(jié)如表 4.2。 圖 4.3 機(jī)架的應(yīng)力云圖 21 圖 4.4 機(jī)架的應(yīng)變云圖 圖 4.5 機(jī)架位移圖 表 4.2 機(jī)架靜力學(xué)分析分析結(jié)果總結(jié) 機(jī)架的位置 應(yīng)力（ MPa） 應(yīng)變（ 10-2mm/mm） 位移 (mm) 上橫梁油缸頂角處 200.37 0.170 立柱與上、 下橫梁的拐角處 224.153 0. 260 0.930 上橫梁中部 1.753 22 上橫梁使用的 ZG310-570,立柱使用的材料為 45 鋼，它們的材料主要力學(xué)性能參數(shù)如表 4.3 表 4.3 ZG310-570 和 45 鋼的主要力學(xué)性能 材料名稱 屈服強(qiáng)度（ s/MPa） 抗拉強(qiáng)度（ b/ MPa） ZG310-570 310 500 45 鋼 353 598 上橫梁的安全系數(shù)： n1=310/200.153=1.549,立柱的安全系數(shù) n2=353/224.153=1.575從參考文獻(xiàn) 19中查得，鑄鋼 和 45 鋼的完全系數(shù)都為 1.21.5,所以它們的設(shè)計滿足靜力強(qiáng)度的設(shè)計要求。 4.3 本章小結(jié) 最大 的應(yīng)力存在于 上橫梁、底座和立柱之間的交接 的拐角處 ,是這些 部位存在附加彎矩，故產(chǎn)生較大的應(yīng)力 ；在油缸內(nèi)上部角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，是在高壓作用下，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。 上橫梁中部 的位移變形橫 立柱 位移變形位都會影響活動橫梁的運(yùn)動精度，還使得立柱與活動活動橫梁之間產(chǎn)生相互的作用力，同時增加它們之間的磨損。在上橫梁油缸頂角處的應(yīng)力較大，通過適當(dāng)?shù)脑龃筮^渡圓角值，使應(yīng)力值減小。 通過靜力強(qiáng)度較核 發(fā)現(xiàn)，立柱和上橫梁的安全系數(shù)要高于許用的安全系數(shù)，這可能是在傳統(tǒng)的設(shè)計中，太保守的設(shè)計所造成的，這樣的設(shè)計導(dǎo)致壓磚機(jī)比較笨重，而且提高了生產(chǎn)成本。 23 第 5 章 活動橫梁的有限元分析與優(yōu)化 活動橫梁是壓磚機(jī)中壓制陶瓷磚的關(guān)鍵的運(yùn)動零件，它受到柱塞對它的沖擊，模具對它的擠壓力，并且長期工作在脈動載荷下，常發(fā)生斷裂的嚴(yán)重事故。所以對活動橫梁采用比較全面的有限元分析與優(yōu)化。 5.1 靜力學(xué) 分析 在活動橫梁存在最大公稱壓制力的情況時，對活動橫梁的進(jìn)行靜力學(xué)分析。 得到活動橫梁的應(yīng)力、應(yīng)變、位移，并且對其強(qiáng)度進(jìn)行較核。 5.1.1 模型參數(shù) 把 用活動橫梁 PRO/E模型直接 導(dǎo)入到 ANSYS WORKBECH中 ， 定義活動橫梁材料為鑄鐵 ，即材料屬性如表 5.1。 表 5.1 活動橫梁的材料屬性 材料名稱 泊松比 彈性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 鑄鐵 0.28 1.1 105 7.2 10-6 5.1.2 劃分網(wǎng)格 選用四面體單元對對活動橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且劃為較細(xì)的網(wǎng)格， 劃分網(wǎng)格的結(jié)果是模型中共有 22580 個節(jié)點， 14650 個單元，活動橫梁模型網(wǎng)格圖，如圖 5.1 所示 。 圖 5.1 活動橫梁模型網(wǎng)格圖 5.1.3 約束 和載荷 24 活動橫梁的四個力柱孔分別受到四根立柱的 僅有壓縮約束。僅有壓縮約束是僅僅限制這個表面在約束的法向正方向的移動。在任何給定的表面可以施加法向僅有壓縮的約束。解釋這種約束的一種方法就是將它想象為一個 “剛性 ”結(jié)構(gòu)，它與選擇的表面有相同的形狀。注意到這些接觸（壓縮）面事先不知道?？梢栽谝粋€圓柱面上模擬 “扣牢的圓柱約束 ”。如圖 5.2所示，顯示出了沒有變形的圓柱的輪廓。有壓縮力的表面阻止原始圓柱變形，而可伸長的表面自由變形。這種約束需要一個迭代來求解。由于事先不知道壓縮面的行為，所以需要利用迭代求解器來判斷哪個表 面顯示的是壓縮行為。 圖 5.2 僅有壓縮約束 從 WL1700全自動液壓壓磚機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)可知， 活動橫梁的上 部與柱塞接觸的表面 受到的 最大公稱壓制力 為 17000000N，而且 接觸的上表面面積 385456mm2，所以壓力為 44.104MPa,活動橫梁的下 表 面受到的 來自坯料的作用力等于公稱壓制力與活動橫梁的重力之和，其大小為 17042359N，活動橫梁與下模接觸的面積為 1041253 mm2,所以下表面的擠壓力為 16.356MPa。 活動橫梁模型約束和載荷， 如圖 5.3所示 。 圖 5.3 活動橫梁模型約束和載荷 25 5.1.4 活動橫梁靜力學(xué)分析結(jié)果 活動橫梁靜力學(xué)分析的應(yīng)力、應(yīng)變、位移結(jié)果， 如圖 5.4， 5.5， 5.6 所示， 分析結(jié)果 總結(jié) ， 如表 5.2。 圖 5.4 活動橫梁的應(yīng)力云圖 圖 5.5 活動橫梁的應(yīng)變云圖 26 圖 5.6 活動橫梁位移圖 表 5.2 活動橫梁靜力學(xué)分析結(jié)果 出現(xiàn)的位置 最大應(yīng)力（ MPa） 最大應(yīng)變（ 10-2mm/mm) 最大位移(mm) 立柱孔和中間孔處 122.076 0.111 0.476 活動橫梁選用鑄鐵為 HT350， HT350 材料的主要力學(xué)性能如表 5.3。 對活動橫梁進(jìn)行 靜力學(xué)的強(qiáng)度較核： n=350/122.076=2.87。 從參考文獻(xiàn) 19中查得，鑄鐵零件要求的安全系數(shù)為 1.52.5。 所以能滿足 活動橫梁靜力學(xué)強(qiáng)度 設(shè)計的要求。 表 5.3 HT350 材料的主要力學(xué)性能 材料名稱 抗拉強(qiáng)度（ MPa） 抗壓強(qiáng)度（ MPa） 疲勞強(qiáng)度（ MPa） 抗剪強(qiáng)度 （ MPa） HT350 350 1100 1300 140180 350 500 活動橫梁的上表面的孔處和 四個 立柱孔處， 出現(xiàn)最大應(yīng)力集中現(xiàn)象。 立柱孔處的應(yīng)力集中主要是彎 矩 引起 ；中間孔處主要是柱塞的壓力所引起。 5.2 動 態(tài)時域分析 27 5.2.1 動態(tài)時域分析 概述 動態(tài)時域分析 用于研究 隨時間變化 的 載荷作用下結(jié)構(gòu) 應(yīng)力、應(yīng)變、位移等的 響應(yīng)技術(shù) 16。 求解結(jié)構(gòu)動態(tài)時域分析的方法有振型疊加法和直接積分法。前者用模態(tài)振型矩陣作為變形矩陣，將結(jié)構(gòu)在物理空間上耦合的動力學(xué)方程轉(zhuǎn)化為在模態(tài)空間上的一組非耦合動力學(xué)方程，然后利用單自由度振動方程的動態(tài)響應(yīng)分析方法求解，最后疊加到結(jié)構(gòu)在物理空間的運(yùn)動響應(yīng)。該法應(yīng)先求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，因而適應(yīng)于阻尼矩陣C可以對角化和不太復(fù)雜的激振力的情況。而后者則對動力方程直接用數(shù)值積分法求解，將 時間離散化，在一個時間間隔內(nèi)對位移、速度和加速度的關(guān)系做某種假設(shè)，將運(yùn)動方程轉(zhuǎn)化成該時刻點上位移矢量的代數(shù)方程，最后用遞推公式求解。該法不須先求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，因而適合動載荷復(fù)雜情況 10。 動態(tài)時域分析是研究結(jié)構(gòu)在外部激振力的作用下的各種響應(yīng)，包括應(yīng)力、位移等的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)在外部激振的響應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力和動態(tài)位移，從而影響產(chǎn)品的使用壽命和工作性能。 采用 Pro/MECHANICA 的分析 軟件，對活動橫梁進(jìn)行動態(tài)時域分析 ， 分析隨 時間變化的載荷下，不同時 刻 模型應(yīng)力 、 應(yīng)變 及位移 。此外，創(chuàng) 建一個 應(yīng)力變化的 測量值。 5.2.2 模型參數(shù) 在使用 Pro/MECHANICA 有限元分析元件中，自定義活動 材料屬性 ，如表 5.4，定義好材料屬性之后，分配于整個活動橫梁模型上。 表 5.4.活動橫梁的材料屬性 材料名稱 泊松比 彈性模量 (MPa) 密度 （ kg/mm3） 鑄鐵 0.28 1.1 105 7.2 10-6 5.2.3 劃分網(wǎng)格 劃分網(wǎng)格與在 ANSYS WORKBENCH 中類似，使用四面體實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于活動橫梁應(yīng)力集中的部位采用較細(xì)的網(wǎng)格。劃分的網(wǎng)格的結(jié)果是模型中 有 26834 個節(jié)點， 16935 個單元 ，其網(wǎng)格圖，如圖 5.7 所示。 28 如圖 5.7 活動橫梁網(wǎng)格圖 5.2.4 約束和載荷 添加約束條件 ，約束活動橫梁兩側(cè)的四個立柱孔， x、 z 方向作為固定， y 方向保持自由 ， x、 y、 z 的轉(zhuǎn)動，也作為固定。 定義 隨時間變化的載荷， 通過表格的方式繪制。活動橫梁的上表面與柱塞接觸的面積 S1=385456mm2,作用力為 F1；下表面受到擠壓力的面積 S2=1041253mm2,作用力為 F2。所以，上表面的壓力 P1=F1/S2，下表面的壓力 P2=F2/S2,它們表面作用力隨時間變化，如表 7.1。根據(jù)表格， 在軟件 Pro/MECHANICA 的分析中 繪制的函數(shù)圖，如下圖 5.8 和圖5.9 所示?；顒訖M梁模型在動態(tài)時域分析約束和載荷 如圖 5.10 所示。 表 5.5 活動橫梁隨時間變化的載荷 受壓力的表面 活動橫梁壓制坯料的時間 (s) 0 0.1 0.4 0.5 0.8 0.9 1.3 上表面 S1(MPa) 0 11.026 11.026 25.727 25.727 44.104 44.104 下表面 S2(MPa) 0.044 4.122 4.1220 9.559 9.559 16.356 16.356 29 圖 5.8 上表面隨時間變化載荷的函數(shù)圖 圖 5.9 下表面隨時間變化載荷的函數(shù)圖 30 圖 5.10 活動橫梁模型在動態(tài)時域分析約束和載荷 5.2.5 活動橫梁的動態(tài)時域分析 結(jié)果評價 依據(jù)前面的靜態(tài)應(yīng)力分析的結(jié)果，在最大應(yīng)力處建立測量點 Measure1,即選擇活動橫梁中間孔的邊緣一 點作為測量點。動態(tài)時域分析之后，得到測量點在此時域上的應(yīng)力變化如圖 5.11 所示， 其最大的應(yīng)力值為 131.5MPa，而靜態(tài)分析的應(yīng)力值 122.076MPa,在動載荷下的應(yīng)力值 比 最大的靜載荷的應(yīng)力值增大了 9%。 動態(tài)時域分析的應(yīng)力云圖，如圖 5.12， 5.13， 5.14 所示。 圖 5.11 測量點的應(yīng)力變化 31 圖 5.12 活動橫梁的應(yīng)力 圖 5.13 活動橫梁的應(yīng)變 圖 5.14 活動橫梁的位移 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，活動橫梁的中間孔和兩側(cè)的四個立柱孔，存在顯著的應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在活動橫梁鑄造時應(yīng)嚴(yán)格鑄造工藝，減少缺陷，不能出現(xiàn)微裂紋或微孔隙。四個立柱孔 32 處應(yīng)力集中最為顯著，因此，在活動橫梁的四個立柱孔處裝上結(jié)構(gòu)鋼的導(dǎo)套，來緩解應(yīng)力集中導(dǎo)致立柱孔處的破壞，并且提高活動橫梁的導(dǎo)向性。 5.3 疲勞分析 5.3.1 疲勞分析概述 疲勞是指結(jié)構(gòu)在底于 靜態(tài)強(qiáng)度極限的載荷重復(fù)作用下出現(xiàn)疲勞斷的現(xiàn)象 14。疲勞破壞的主要因素 有 載荷的循環(huán)次數(shù)；每一個循環(huán)的應(yīng)力副值和平均應(yīng)力；局部應(yīng)力集中 14。 疲勞破壞的過程是 :零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的最高應(yīng)力處，最弱的及應(yīng)力最大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。所以，疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、裂紋擴(kuò)展和瞬斷三個階段。 疲勞分析原理 是 采用了簡化的彈性假設(shè)和 Miner 累積疲勞準(zhǔn)則。 Miner 累積疲勞準(zhǔn)則 是 材料在重復(fù)外載荷作用下，其內(nèi)部的微缺陷和空穴不斷地產(chǎn)生與發(fā)展，從宏觀上表現(xiàn)為 材料損傷的累積，當(dāng)材料的損傷累積達(dá)到臨界值時則產(chǎn)生失效 15。 5.3.2 活動橫梁疲勞分析 活動橫梁在運(yùn)動過程中，各點應(yīng)力變化符合脈動應(yīng)力變化規(guī)律。 脈動循環(huán) 變應(yīng)力 曲線如圖 5.15 所示， 縱坐標(biāo) 值 1 表示活動橫梁 的最大應(yīng)力值。 活動橫梁的疲勞分析是建立在靜力 學(xué) 分析的基礎(chǔ)上的，因此， 活動橫梁的 疲勞分析 處理和其線性靜力分析很相似 ,因此這里不 做 詳細(xì) 的 介紹。 不通在于要定義材料的 S-N 曲線，只是在求解時，選用疲勞求器 ， 即可 。 圖 5.15 脈動循環(huán)變應(yīng)力 一般的 SN 曲線有這樣的共同特點，即當(dāng)破壞循環(huán)次數(shù)小于 103，疲 勞極限 x 接近于 b，而且在 1 到 103 之間，變化不大；而且當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于 106 時，疲勞極限 x 趨近于 -1，而在 103106 之間，存在著關(guān)系式 mx Nc ， m 和 c 為常數(shù)，對等式兩邊取 33 對數(shù)后得 ： l g l g l gx Ncm （ 5.1） 因此 在雙對數(shù)坐標(biāo)的 SN 曲線圖 lgx 和 lgN 之間存在線形關(guān)系，只要知道 103 和 106兩點的值，這個直線就確定了。在 N 103 時，近似取 x=0.9b，而在 N106 時，近似取 x=-1，由于活動橫梁的材料為鑄鐵，型號為 HT350，它的 b=350MPa， -1=180MPa。所以，當(dāng) N=103 時， x=315 MPa；當(dāng) N=106 時， x=180 MPa，所以在 鑄鐵材料 HT350的 SN 曲線 ，如圖 5.16 所示。 圖 5.16 SN 曲線 活動橫梁的設(shè)計壽命為循環(huán) 109 次，即為 高周疲勞 ，受 應(yīng)力幅控制 ， Mean Stress Theory 選用工程上較為常用的 Goodman 曲線 ， 如圖 5.17 所示 。 圖 5.17 Goodman曲線 34 5.3.3 活動橫梁疲勞分析結(jié)果 （ 1）活動橫梁的疲勞壽命分析結(jié)果，如下圖 5.18 所示。 從 分析結(jié)果 中得到 活動橫梁的疲勞壽命最小值也能達(dá)了 109， 到達(dá)了設(shè)計的壽命要求， 因此符合活動橫梁壽命的設(shè)計要求 。 圖 5.18 活動橫梁壽命 （ 2） 安全系數(shù)是指 計算出 來的 各個節(jié)點 壽命與 指定的設(shè)計壽命 之比 。 分析結(jié)果如圖 5.19 所示，安全系數(shù)為 1.741，從參考文獻(xiàn) 19中查得，鑄鐵零件要求的安全系數(shù)為1.52.5。所以活動橫梁的設(shè)計符合安全可靠的要求。 圖 5.19 活 動橫梁安全 系數(shù) （ 3）活動橫梁的疲勞靈敏性是指在靜態(tài)分析載荷在 0 與 150%之間作脈動循環(huán)時，活動橫梁的疲勞壽命變化情況?；顒訖M梁載荷的脈動變化的實際變化為 0 到 100%之間，所以通過分析結(jié)果 圖 5.20，可知，活動橫梁的疲勞靈敏性非常好。 35 圖 5.20 活動橫梁的疲勞靈敏性 通過對活動橫梁的 疲勞計算 ， 活動橫梁的疲勞壽命 、 安全系數(shù)，都能達(dá)到活動橫梁疲勞設(shè)計的要求 ；活動橫梁的疲勞靈敏性在脈動載荷變化的情況下，靈敏性非常好。 5.4 拓?fù)?優(yōu)化 5.4.1 拓?fù)?優(yōu)化 概述 拓?fù)?優(yōu)化 是形狀 優(yōu)化，有時也稱為外型優(yōu)化。 外形 優(yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為 “最大剛度優(yōu)化 ”設(shè)計。 與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計不同的是， 拓?fù)?優(yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計變量都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（如材料特性、模型、載荷等）和需要省去的材料百分比。 拓?fù)?優(yōu)化只適用于實體。 形狀 優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是在滿足結(jié)構(gòu)約束的情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減少結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這種技術(shù)通過使用設(shè)計變量給每個單元賦予內(nèi)部偽密度來實現(xiàn) 16。 36 5.4.2 ANSYNS WORKBENCH 拓?fù)鋬?yōu)化 “Shape Finder”是一個優(yōu)化問題 ,其結(jié)構(gòu)能量在減少結(jié)構(gòu)體積的基礎(chǔ)上的最小化。它盡量得到關(guān)于體積比率的最好剛度；盡可能的找尋可以在對整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除的面積。 由于 “Shape Finder”在載荷和約束的基礎(chǔ)上盡量減少體積和增大剛度， 因此載荷和約束十分重要并會影響結(jié)果 。 “ Shape Finder” 一般在載荷施加的地方和約束反作用于載荷的地方保持材料不變 。 縮減材料不能太多，否則會導(dǎo)致行架式結(jié)構(gòu)。 “Shape Finder”基于一個單獨的靜力結(jié)構(gòu)環(huán)境下 ，“ Shape Finder” 不能用于復(fù)合環(huán)境下。 5.4.3 活動橫梁 的拓?fù)?優(yōu)化 活動橫梁的 拓?fù)?優(yōu)化處理和其線性靜力分析很相似 ,因此這里不是所有的步驟都詳細(xì)介紹。 只是