MP160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)開(kāi)題報(bào)告

廣陵 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 劉惠斯 學(xué)號(hào) :100007120 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目： MP160 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) 指 導(dǎo) 老 師： 鄭 翔 2012 年 3 月 20 日 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 1、結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě) 2000 字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 1.1 國(guó)內(nèi)外液壓機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 壓力機(jī)以其良好的加工工藝性能，廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械加工和耐火材料制造企業(yè) 1。其中液壓機(jī)是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一。自 19 世界問(wèn)世以來(lái)發(fā) 展很快，已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備之一。由于液壓機(jī)在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。如板材成型；管、線、型材擠壓；粉末冶金、塑料及橡膠制品成型；膠合板壓制、打包；人造金剛石、耐火磚壓制和炭極壓制成型；輪軸壓裝、校直等等。各類類型液壓機(jī)的迅速發(fā)展，有力的促進(jìn)了各種工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。液壓機(jī)是利用帕斯卡定律制成的利用液體壓強(qiáng)傳動(dòng)的機(jī)械。油壓機(jī)由主機(jī)及控制機(jī)構(gòu)兩大部分組成。油壓機(jī)主機(jī)部分包括機(jī)身、液壓缸及充液裝置等。動(dòng)力機(jī)構(gòu)由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)及各種壓力閥和方向閥等組成 。動(dòng)力機(jī)構(gòu)在電氣裝置的控制下，通過(guò)泵和油缸及各種液壓閥實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)和輸送，完成各種工藝動(dòng)作的循環(huán) 2。 液壓機(jī)作為一種通用的無(wú)屑成型加工設(shè)備，其工作特點(diǎn)一是動(dòng)力傳動(dòng)為 “ 柔性 ” 傳動(dòng)，不像機(jī)械加工設(shè)備一樣動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，這種驅(qū)動(dòng)原理避免了機(jī)器過(guò)載的情況；二是液壓機(jī)的拉伸過(guò)程中只有單一的直線驅(qū)動(dòng)力，沒(méi)有 “ 成角的 ” 驅(qū)動(dòng)力，這使加工系統(tǒng)有較長(zhǎng)的生命期和高的工件成品率 3。液壓機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境污染小等其他設(shè)備不可替代的性能特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、國(guó)防、電力電子、塑 料、機(jī)械、冶金和輕工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。影響液壓機(jī)質(zhì)量的因素很多，其中液壓機(jī)本體的設(shè)計(jì)水平起著重要的作用。液壓機(jī)本體是液壓機(jī)的重要組成部分，其重量約占整機(jī)重量的 60以上。液壓機(jī)本體的設(shè)計(jì)水平，對(duì)液壓機(jī)的制造成本、技術(shù)性能和使用壽命有著決定性的影響。我國(guó)液壓機(jī)本體的設(shè)計(jì)水平還比較落后，研究關(guān)于液壓機(jī)本體的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高我國(guó)液壓機(jī)的整體設(shè)計(jì)水平、增強(qiáng)相關(guān)企業(yè)的生存和發(fā)展能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 世界上第一臺(tái)水壓機(jī)的發(fā)明標(biāo)志著現(xiàn)代液壓技術(shù)工程應(yīng)用的開(kāi)始 ,這是由英國(guó)科學(xué)家約瑟夫在 1795 年發(fā)明的。由于 早期技術(shù)水平的限制即使已經(jīng)發(fā)展了二、三百年的液壓傳動(dòng)技術(shù)在實(shí)際中很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用 4。在我國(guó)，液壓行業(yè)已形成了門類齊全，有一定生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，初具規(guī)模的生產(chǎn)科研體系。目前全國(guó)約有近 300 家企業(yè)，還有液壓研究室（所），國(guó)家級(jí)液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心以及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。我國(guó)液壓工業(yè)重視同國(guó)外企業(yè)進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)合作，近年來(lái)先后從國(guó)外引進(jìn)了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術(shù)，為提高產(chǎn)品 3 水平和生產(chǎn)能力起了重要作用。目前已和美國(guó)、日本、德國(guó)共同建立了某些合資企業(yè)，這些企業(yè)將推動(dòng)我國(guó)液壓工業(yè)的發(fā)展 。 在國(guó)外，液壓工業(yè)的發(fā)展速度高于機(jī)械工業(yè)。為了滿足用戶的需要，主機(jī)品種日益增多，產(chǎn)品更新速度加快，相應(yīng)要求液壓元件增加品種，實(shí)現(xiàn)多樣化，因而液壓件屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品相對(duì)減少，大部分屬于成批或小批生產(chǎn)。為適應(yīng)這種動(dòng)向，國(guó)外生產(chǎn)方式也有所變化。 國(guó)內(nèi)、外有些廠家采用可編程控制器控制方式，如天津鍛壓機(jī)械廠有近 54的產(chǎn)品裝有 PM。通過(guò)采用 Pth 控制，使系統(tǒng)的控制性能和可靠性大大提高。丹麥的紅血們公司采用 SIEMNES 的可編程控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和位移的控制。而與國(guó)外發(fā)展情況相比，國(guó)內(nèi)極少有采用工業(yè)控制機(jī)控制方式 的產(chǎn)品，成熟的產(chǎn)品是采用可編程控制器的控制方式 5。 走向二十一世紀(jì)的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)和擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來(lái)的要求。主要的發(fā)展趨勢(shì)將集中在以下幾個(gè)方面：（ 1）減少能耗，充分利用能量；（ 2）泄漏控制；（ 3）污染控制；（ 4）主動(dòng)維護(hù)，提高故障診斷水平；（ 5）機(jī)電一體化；（ 6）液壓 CAD 技術(shù)。 1.2 有限元的發(fā)展及現(xiàn)狀 有限元法是計(jì)算力學(xué)中的一種重要的方法，它是 20 世紀(jì) 50 年代末 60 年代初興起的應(yīng)用教學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣 科學(xué)。有限元發(fā)展至今，已由二維問(wèn)題擴(kuò)展到三維問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、穩(wěn)定性問(wèn)題，由結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展到流體，力學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，由線性問(wèn)題擴(kuò)展到非線性問(wèn)題，由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性。塑性、黏塑性和復(fù)合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到航天、土木建筑、機(jī)械制造、水利工程、造船、電子技術(shù)及原子能等。由單一物理場(chǎng)的求解擴(kuò)展到多物理場(chǎng)的耦合，其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大地拓展 6。 有限元法的基本思路是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn) ,將微 分方程中的變量改寫(xiě)成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式 ,借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解 7。 有限元法是 R.Courant于 1943年首先提出的 8。自從提出有限元概念以來(lái) ,有限元理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。過(guò)去不能解決或能 ； 解決但求解精度不高的問(wèn)題 ,都得到了新的解決方案。 傳統(tǒng)的 FEM假設(shè) ： 分析域是無(wú)限的 ； 材料是同質(zhì)的 ,甚至在大部分的分析中認(rèn)為材料是各向同性的 ；對(duì)邊界條件簡(jiǎn)化處理。但實(shí)際問(wèn)題往往是分析域有限、材料各向異性或邊界條件難以確定等 9。1956 年，第一篇有限元文章發(fā)表，正式拉開(kāi)了有限元發(fā)展的歷史 10。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(kāi)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 4 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。主要表現(xiàn)如下幾方面：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(wèn)題；經(jīng)過(guò)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(chǎng)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) 111213。 在有限元法應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展、求解精度不斷提高的同時(shí) , 有限元也從分析比較向優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展 14。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 對(duì)拖拉機(jī)前橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) ,結(jié)果不但降了約 40%的前橋自重 ,還避免了在制造過(guò)程中的大量焊接工藝 ,降低 了生產(chǎn)成本。有限元在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也十分廣泛。自從我國(guó)成功開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)通用有限元程序系統(tǒng) JIGFEX 后 ,有限元法滲透到工程分析的各個(gè)領(lǐng)域中 ,從大型的三峽工程到微米級(jí)器件都采用有限元進(jìn)行分析 15-16,在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。 有限元的發(fā)展趨勢(shì)：（ 1）與 CAD 的無(wú)縫合成（ 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(kāi)放性。 1.3 ANSYS 軟件簡(jiǎn)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(jí) CAD 工具之一，該軟件是由美國(guó) ANSYS 公司研制開(kāi)發(fā)的融結(jié)構(gòu)、流 體、熱、聲、電磁等學(xué)科于一體的大型通用有限元分析軟件 17。 在 ISO9001 國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證中， ANSYS 軟件是第一個(gè)通過(guò)認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件。它對(duì)包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解、后處理 、優(yōu)化設(shè)計(jì)等在內(nèi)的模塊都具有一體化的處理技術(shù) 18。 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(dòng)力分析等計(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(guò)程中， 常常會(huì)遇到各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析問(wèn)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(duì)機(jī)械模進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D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(jiàn)的問(wèn)題提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是由設(shè)計(jì)者提供幾個(gè)不同的設(shè)計(jì)方案，從中比較，挑選出最優(yōu)的方案。這種方法，往往是建立在設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再加上資源時(shí)間的限制，提供的可選方案?jìng)€(gè)數(shù)有限，往往不一定是最優(yōu)的方案。如想獲得最佳的方案，就要提供更多的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，這就需要大量的資源，單靠人力往往難以做到 19。將 ANSYS 用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)仿真分析的結(jié)果進(jìn)一步了解機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，主動(dòng)地尋求最佳設(shè)計(jì)方案，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為合理，從而有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能20。 一個(gè)典型的 ANSYS 分析過(guò)程可分為以下三個(gè)步驟：（ 1）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何模型；定義材料屬性；劃分單元（節(jié)點(diǎn)及單元）；（ 2）施加載荷進(jìn)行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；（ 3）查看結(jié)果。包括查看分析結(jié)果；檢驗(yàn)分析是否正確。壓力機(jī)的可靠性、安全性、加工精度和使用壽命等是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)床運(yùn)行應(yīng)考慮的主要問(wèn)題，基于此，利 用solidworks 和 ANSYS 軟件對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)應(yīng)分析，通過(guò)分析得出壓力機(jī)的靜剛度、前六階振型及固有頻率，為評(píng)價(jià)壓力機(jī)的動(dòng)靜態(tài)特性以及后面的設(shè)計(jì)改造提供了 5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了參考 21。 參考文獻(xiàn) ： 1 董建興 .壓力機(jī)再制造關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)例研究 D.山東理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)碩士學(xué)位論文， 2013.4 2 朱釩 ,張志，張道富，李慶亮 ,司徒忠 .國(guó)內(nèi)外液壓機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .機(jī)床與液壓， 2000. 3 許福玲 ,陳堯明 .液壓與氣壓傳動(dòng)（第三版） M北京：機(jī)械工 業(yè)出版社， 2007. 4 陳成 .20MN 快速薄板成型液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 D.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩士學(xué)位論文， 2013.4 5 葉勁松 .冶金設(shè)備液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) .武鋼技術(shù) .2005.5. 6 陳錫棟，楊婕，趙曉棟，范細(xì)秋，有限元的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 J.中國(guó)制造業(yè)信息化 .2010.6. 7 張晉紅，吳風(fēng)林，有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀 J.綜述 .2007.04. 8 李開(kāi)泰 ,黃艾香 ,黃慶懷 .有限元方法及其應(yīng)用 M.西安 :西安交通大學(xué)出版社 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黃一江 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 J應(yīng)用技術(shù)， 2013（ 4). 21 王亞利 .ANSYS 軟件在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 M佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 1006-4311（ 2014）03-0203-02. 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 2、本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： 2.1 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司。 MP160 型 壓力 機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì) MP160 型 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。 2.2 課題分析（研究或解決的問(wèn)題） 運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì) MP160 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(dòng)的固有頻率以及相應(yīng)的振型，分析各種振型對(duì)液壓機(jī)工作狀態(tài)的影響。這對(duì)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： 對(duì) MP160 型 壓力機(jī)機(jī)身 進(jìn)行三維實(shí)體建模； (1) 了解 MP160 型 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； (2) 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； (3) 對(duì) 機(jī)身 模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，求解 機(jī)身 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； (4) 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。 2.3 方案定制 (1) 先熟悉和了解 Solidwords 軟件和 ANSYS 軟件； (2) 在 Solidwords 里畫(huà)出 MP160 型壓力機(jī)的三維模型； (3) 將精整壓力機(jī)的模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件； (4) 添加材料特性：機(jī)身材料是 Q235A,密度 =7800 /m3； (5) 對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，遵循 “均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃 ”的原則； (6) 對(duì)模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； (7) 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行加載：設(shè)備在工作時(shí)承受兩個(gè)相反方向的載荷，機(jī)身所受載荷簡(jiǎn)化為對(duì)機(jī)身的兩個(gè)方向的均布載荷； (8) 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析； (9) 分析壓力機(jī)在加載情況下機(jī)身變形情況以及應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律； (10) 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析優(yōu)化，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響，從而選擇合適的機(jī)身 7 尺寸和材料厚度，盡量減輕機(jī)身的重量； (11) 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行自由模態(tài)分析，