J75G-200閉式高速壓力計(jì)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)論文

揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)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(dòng)化 班 級(jí) 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 I 中文摘要 有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等 CAE 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。本論文以壓力機(jī)機(jī)身為研究對(duì)象， 利用有限元分析軟件 ANSYS 作為分析工具，進(jìn)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及模態(tài)分析。 首先， 采用四面體實(shí)體單元建立機(jī)身的三維有限元模型，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定其載荷分布和約束，分析計(jì)算有限元模型，得到機(jī)身的應(yīng)力與應(yīng)變分布規(guī)律。校核機(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) ,通過(guò)較傳統(tǒng)的人工優(yōu)化找出了比較合理的結(jié)構(gòu)，用加厚材料來(lái)矯正變形量過(guò)大的問(wèn)題，用去除受力或變形小區(qū)域的材料來(lái)減輕質(zhì)量等。 其次， 運(yùn)用 ANSYS Workbench 進(jìn)行模態(tài)分析，分析其固有頻率以及對(duì)應(yīng)的 振型。了解該壓力機(jī)的模態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，為結(jié)構(gòu)的 動(dòng)態(tài) 設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ) 。 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，優(yōu)化設(shè)計(jì)，模態(tài)分析 II Abstract The application of finite element analysis and structure optimization of CAE technology, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. The press frame as the research object, using finite element analysis software ANSYS as the analysis tool, a structural static analysis and modal analysis, structure optimization design. First of all， to establish a three-dimensional finite element model of the frame using tetrahedron solid element, the press frame structure and force characteristics of the analysis, to determine the load distribution and constraints, calculation and analysis of finite element model, to get the stress and strain distribution. Check the strength and stiffness of body parts, and the structure optimization design based on the analysis of the results, a reasonable structure has been found by artificial optimization than traditional, with thicker materials to correct excessive deformation problem, remove stress or deformation small region of the material to reduce quality etc. Secondly, the use of ANSYS Workbench analysis of modal analysis, the natural frequency and the corresponding vibration mode. Understand the modal characteristics of the press and the dynamic characteristic, has provided the theory basis and the foundation for dynamic design and structure improvement. Finally, the research contents of the thesis are summarized and prospects. Keywords: Press, finite element analysis, optimization design, modal analysis III 目錄 中文摘要 . I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r . 1 1.1.1 國(guó)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r . 1 1.1.2 國(guó)內(nèi)壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r . 1 1.2 有限元分析方法 . 2 1.2.1 有限元理論 . 2 1.2.2 有限元分析軟件的簡(jiǎn)介 . 3 1.2.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元運(yùn)用 . 4 1.3 課題來(lái)源及選題的目的和意義 . 4 1.3.1 課題來(lái)源 . 4 1.3.2 選題的目的和意義 . 4 1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問(wèn)題 . 5 第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 . 7 2.1 機(jī)身簡(jiǎn)介 . 7 2.2.1 單元類型的選擇 . 8 2.2.2 網(wǎng)絡(luò)的劃分 . 9 2.2.3 邊界條件的施加 . 9 2.2.4 材料特性 .11 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 .11 2.3.1 應(yīng)力和變形要求 .11 2.3.2 應(yīng)力和變形圖形顯示 . 12 2.3.3 應(yīng)力分析 . 14 2.3.4 變形分析 . 15 2.4 本章小結(jié) . 15 IV 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn) . 16 3.1 優(yōu)化分析 . 16 3.2 優(yōu)化方案一 . 16 3.3 優(yōu)化方案二 . 18 3.4 優(yōu)化方案三 . 20 3.5 優(yōu)化方案四 . 22 3.6 選擇最佳方案 . 24 3.7 本章小結(jié) . 25 第四章 機(jī)身的模態(tài)分析 . 26 4.1 模態(tài)分析概述 . 26 4.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) . 26 4.1.2 模態(tài)分析 原理 . 26 4.2 對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析 . 27 4.2.1 自由模態(tài)分析 . 27 4.2.2 自由模態(tài)描述 . 31 4.2.3 約束模態(tài)分析 . 31 4.2.4 約束模態(tài)描述 . 35 4.3 本章小結(jié) . 36 第五章 結(jié)論和展望 . 37 5.1 結(jié)論 . 37 5.2 展望 . 37 致謝 . 39 參考文獻(xiàn) . 40 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)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 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械行業(yè)是國(guó)民產(chǎn)業(yè)中極其重要的基礎(chǔ)行業(yè) 1。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)需求也越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)正從以機(jī)器為特征的傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)代向著高速化、高精化和柔性化的信息時(shí)代發(fā)展，即利用當(dāng)代高科技信息來(lái)裝備傳統(tǒng)的機(jī)械 行業(yè) 2。我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì) 高速壓力機(jī) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。 來(lái) 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。 1.1.1 國(guó)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 高速壓力機(jī)的發(fā)展將近有 100 年的歷史。 1900 年德國(guó)的舒勒 (SCHULER)壓力機(jī)公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺(tái)自動(dòng)化壓力機(jī) 3。美國(guó)亨利特公司在 1910 年首創(chuàng)四柱底傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)，當(dāng)時(shí)稱為 dieing machine4。在 1955 年以前該機(jī)為高速壓力機(jī)的代表機(jī)型。以后隨著電機(jī)和電器工業(yè)的 發(fā)展，各國(guó)紛紛研制高速壓力機(jī)。 1953 年德國(guó)舒勒公司生產(chǎn)出 1250kN 閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)，行程 20mm，行程次數(shù)達(dá)到 150rpm5。后來(lái)美國(guó)明斯特（ MINSTER）公司推出的 Pulsar 系列超高速壓力機(jī)以及日本會(huì)田公司引進(jìn)瑞士布魯?shù)吕展炯夹g(shù)生產(chǎn) AIDA-BRUDERER 系列 BSTA 型高速壓力機(jī)和 PDAL 系列高速壓力機(jī)也均采用了上傳動(dòng)方式，不但提高了動(dòng)態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲 6-7。隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的革新，壓力機(jī)的品種越來(lái)越多，質(zhì)量越來(lái)越好，壓力越來(lái)越大，精度也越來(lái)越高 。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機(jī)的主要國(guó)家都是傳統(tǒng)的制造強(qiáng)國(guó)，其中以日本、美國(guó)和德國(guó)為主?，F(xiàn)在和日本、德國(guó)并稱為世界三大高速壓力機(jī)生產(chǎn)基地 58。世界上已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)生產(chǎn)出最大壓下能力為 60000KN 的單動(dòng)壓力機(jī)、最大壓下能力為 32000KN 的雙刀壓力機(jī)以及最大壓下能力為 85000KN 的多工位壓力機(jī) 9。 1.1.2 國(guó)內(nèi)壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)是上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。目前，生產(chǎn)高速壓力機(jī)的主要廠家有上海第二鍛壓機(jī)床廠、廈門鍛壓機(jī)床有限公司、諸城 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 2 鍛壓機(jī)床股份有限 公司、寧波機(jī)床廠和江蘇揚(yáng)力集團(tuán)等。我國(guó)第一臺(tái)高速壓力機(jī)是在 1982 年由濟(jì)南鑄鍛機(jī)械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機(jī)公稱力為 600KN，最高的速度可達(dá)到 400 次 /min。隨后又成功研制了公稱力 300KN，最高速度 600 次 /min 的高速精密壓力機(jī)?？缛?21 世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)企業(yè)中徐州鍛壓機(jī)床廠的高速?zèng)_床生產(chǎn)開(kāi)始形成規(guī)模，先后研制成功了 JF75G 系列閉式高速壓力機(jī)和 V H45 開(kāi)式高速精密沖床，其沖壓速度分別達(dá)到 600 次 /min 和 1200 次 /min10。目前，由于國(guó)內(nèi) 材料技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在差距，國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)的發(fā)展也受到了相應(yīng)的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機(jī)的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領(lǐng)域內(nèi)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力；國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制與補(bǔ)償技術(shù)還未較好的應(yīng)用于高速壓力機(jī)中，使國(guó)內(nèi)產(chǎn)品精度相對(duì)先進(jìn)技術(shù)較低；由于國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)產(chǎn)品主要通過(guò)引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國(guó)內(nèi)壓力機(jī)品種和規(guī)格較為單一 11-13。 1.2 有限元 分析方法 1.2.1 有限元理論 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。有限元的創(chuàng)立與科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)界需求相關(guān)。1953 年， Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機(jī)翼振動(dòng)時(shí)，將機(jī)翼分成很多片小三角形板，計(jì)算的機(jī)翼結(jié)構(gòu)撓度與小比例模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合是有限元的雛形。 1955 年， John H. Argyris 提出矩形單元。 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 14。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 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 3 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) 15-17。 1.2.2 有限元分析 軟件的 簡(jiǎn)介 ANSYS 是目前國(guó)際上著名的有限元軟件之一，該軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和藕合場(chǎng)分析于一體。 ANSYS 廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)研究等眾多領(lǐng)域。 ANSYS 作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : 1） 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)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(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 2） 強(qiáng)大的建模能力。 ANSYS 具備三維建模能力，僅靠 ANSYA 的 GUI(圖形界面 )就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。 3） 強(qiáng)大的求解功能。 ANSYS 提供了數(shù)種求解器，用戶可根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 4） 強(qiáng)大的非線性功能。 ANSYS 可以進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 5） 智能網(wǎng)格劃分。 ANSYS 可根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。 6） 良 好的優(yōu)化功能。利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，用戶可以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案：利用 ANSYS 的拓?fù)鋬?yōu)化功能，用戶可以對(duì)模型進(jìn)行外型優(yōu)化，尋求物體對(duì)材料的最佳利用。 7） 可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)藕合功能。 ANSYS 可以研究各物理場(chǎng)間的相互影響。 8） 提供與其他程序接口。 ANSYS 提供了與多數(shù) CAD 軟件及有限元分析軟件的接口程序 ,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。 9） 良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。 ANSYS 開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用 APDL、 UIDL和 UPFS 對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 結(jié)構(gòu)分析是 ANSYS 功能之一，其中包括：靜 力分析 (用于分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性 )；模態(tài)分析 (計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型 )；譜分析 (是模態(tài)分析的擴(kuò)展 ,用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 )；協(xié)響應(yīng) 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 4 分析 (確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng) )；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 (確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)，可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性特性 )；特征屈曲分析 (用于計(jì)算線性屈曲荷載，并確定屈曲模態(tài)形狀 )；專項(xiàng)分析 (斷裂分析，復(fù)合材料分析，疲勞分析 )等。 1.2.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元運(yùn)用 優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用于產(chǎn)品 設(shè)計(jì)中。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使零部件的的力學(xué)性能得到改善，并獲得理想的結(jié)構(gòu)布局和尺寸大小。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在預(yù)定目標(biāo)和一組給定幾何和行為約束的范圍內(nèi)，尋求滿足條件的最優(yōu)解。機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法一般可節(jié)省材料 7% 40%，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。 機(jī)身是機(jī)床中結(jié)構(gòu)和受力比較復(fù)雜的部件，機(jī)身有限元分析的目的在于提高其承受能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。另外，就整個(gè)機(jī)構(gòu)而言，當(dāng)機(jī)身重量減輕后，整個(gè)機(jī)床重量也隨之降低，從而改善整個(gè)機(jī)床的動(dòng)力 性和經(jīng)濟(jì)性等性能。 安全、節(jié)能和環(huán)保是機(jī)床面臨的三大熱點(diǎn)問(wèn)題，如何提高整個(gè)機(jī)床的加工精度是機(jī)床穩(wěn)定性中需要解決的問(wèn)題之一。利用有限元法進(jìn)行機(jī)床加工過(guò)程的模擬計(jì)算，涉及到大變形等非線性問(wèn)題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計(jì)算可以節(jié)省昂貴的實(shí)體實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且在設(shè)計(jì)階段模擬分析是唯一的分析手段，國(guó)內(nèi)、外機(jī)床公司普遍采用這一方法。 1.3 課題來(lái)源及選題的目的和意義 1.3.1 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機(jī) 是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)研制的產(chǎn)品。運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì) J75G-200 閉式高速壓力機(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。 1.3.2 選題的目的和意義 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 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 5 集中在開(kāi)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) 。 1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問(wèn)題 1）主要內(nèi)容 要求運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì) J75G-200 閉式高速壓力機(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)壓力機(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，為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。 2）技術(shù)要求 （ 1） 要求校核 J75G-200 型 壓力機(jī)在承載條件下的剛度和強(qiáng)度。 （ 2） 要求在保證液壓機(jī)強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)液壓機(jī)主要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 3） 分析液壓機(jī)的模態(tài)，并對(duì)液壓機(jī)的工作狀況進(jìn)行評(píng)估。 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 J75G-200 閉式高速壓力機(jī) 的三維模型； （ 3） 將高速壓力機(jī)的模型導(dǎo)入 ANSYS 軟件； （ 4） 添加材料特性 ： 機(jī)底是 QT600-3，密度 =7120kg/m3；橫梁 HT300，密度=7300kg/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 ” 原則； （ 6） 對(duì)模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 6 （ 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)身尺寸和材料厚度，盡量減輕機(jī)身的重量； （ 11） 通過(guò)分析結(jié)果，改善應(yīng)力狀況和改變相關(guān)尺寸變量，以減輕總體質(zhì)量，然后進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)剛度和強(qiáng)度，依次重復(fù)以上步驟，直至取得最佳方案。 （ 12） 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； 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 7 第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析 2.1 機(jī)身簡(jiǎn)介 機(jī)身是壓力機(jī)的一個(gè)基本支撐部件，工作時(shí)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)，都有直接的影響。 機(jī)身分為兩大類：即開(kāi)式機(jī)身和閉式機(jī)身。 J75G-200 是 閉式高速壓力機(jī)雙電高速精密壓力機(jī)。 機(jī)身結(jié)構(gòu)如下圖所示。 J75G-200 閉式 的主要技術(shù)規(guī)格如下： 型 號(hào)： J75G-200 公 稱 壓 力： 2000KN 滑塊行程： 30mm 標(biāo)準(zhǔn)行程次數(shù)： 150450/min 圖 2.1 機(jī)身 幾何 結(jié)構(gòu)圖 2.2 有限元模型的建立 在進(jìn)行有限元分析之前，首先需要將分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為便于分析的結(jié)構(gòu)分析模型或力學(xué)模型。為保證全面地反映機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)使有限元模型得到簡(jiǎn)化，確定了下面四條建模原則： 1） 對(duì)于明顯不會(huì)影響機(jī)身的整體強(qiáng)度、剛度的部位 ,如螺釘孔、銷孔、圓角等予以簡(jiǎn)化； 2）認(rèn)為焊接質(zhì)量可靠，且不考慮焊接對(duì)各板傳力的影響； 橫梁 底座 工作臺(tái) 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 8 3）將導(dǎo)軌看成自由界面，滑塊與導(dǎo)軌之間無(wú)力的傳遞； 4）地腳螺栓剛度無(wú)限大，不考慮地基及機(jī)身以外部件彈 性變形； 圖 2.2 壓力機(jī)實(shí)體模型 底座材料 QT600-3，密度 37120 mkg ，彈性模量為 1.69E+11N/m2，泊松比為 0.286；橫梁材料 HT300，密度 37300 mkg ，彈性模量為 1.43E+11N/m2，泊松比為 0.27。 2.2.1 單元類型的選擇 在以往壓力機(jī)機(jī)身的分析中，由于受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，多選用有限元中的梁、板殼單元來(lái)描述機(jī)身的結(jié)構(gòu)。由于機(jī)身各部分具有不同的板厚，因此即使選擇同一單元類型時(shí)，也必須設(shè)置不同的實(shí)常數(shù) 來(lái)定義板厚、梁?jiǎn)卧慕孛娉叽?、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，若設(shè)置參數(shù)較少，必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)作較大簡(jiǎn)化；若參數(shù)設(shè)置較多，又給單元的劃分增加了計(jì)算量和復(fù)雜程度。同時(shí)，由于板單元和梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)自由度數(shù)不同，因此必須考慮不同類型單元之間連接時(shí)位移的連續(xù)性問(wèn)題，這就需要人工調(diào)整。若人工干預(yù)太大，容易引起單元畸變。因此，用板、梁等單元建立的有限元模型，必將帶來(lái)一定的計(jì)算誤差，特別是對(duì)一些重要的局部區(qū)域，其分析時(shí)誤差較大。 因此用三維實(shí)體單元來(lái)描述機(jī)身結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)身的實(shí)際情況。在 ANSYS 軟件里，三維實(shí)體單元有六面體單元和四面體單元 兩種。由于六面體單元在劃分時(shí)要求結(jié)構(gòu)規(guī)則，而對(duì)于機(jī)身這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行六面體單元的自動(dòng)劃分十分 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 9 困難。采用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐直容^靈活，可以逼近較復(fù)雜的幾何形狀。因此 ， 本文計(jì)算時(shí) ， 采用單元 sohd45， 該單元為四面體 8 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元 ， 每節(jié)點(diǎn)有三個(gè)移動(dòng)自由度 ， 同時(shí)指定單元邊長(zhǎng) ， 這樣可以得到比較均勻的單元 ， 從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。 2.2.2 網(wǎng)絡(luò)的劃分 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 60mm，精度為 100，畸變度選擇 0.3。網(wǎng)格劃分后共產(chǎn)生 65451 個(gè)單元， 118025 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)法接受之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機(jī)身如圖 2-3 所示。 圖 2.3 機(jī)身網(wǎng)絡(luò)劃分 2.2.3 邊界條件的施加 1）載荷的施加 本設(shè)備的公稱壓力是 2000KN，但由于實(shí)際應(yīng)用中載荷并不是由零緩慢增加，在沖壓工件時(shí)具有一定的加速度，機(jī)身實(shí)際上受到的是動(dòng)荷作用，故應(yīng)在靜載荷上乘 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 10 以一個(gè)動(dòng)荷系數(shù) 1.20，即 2400KN。分析其應(yīng)力和變形時(shí)，取其公稱壓力為機(jī)身的外載荷。機(jī)身在工作時(shí)承受兩個(gè)方向的載荷，一個(gè)是作用在曲軸支撐孔上，方向向上；另一個(gè)是作用在工作臺(tái)上，方向向下。 兩者大小相等，方向相反。工作臺(tái)上的載荷是均布載荷的形式作用于機(jī)身上，二軸承孔上的載荷是通過(guò)加載到半軸上的載荷通過(guò)接觸的設(shè)置，間接傳遞到軸承孔上，這樣能夠真實(shí)地反應(yīng)軸承孔的受力。 2）工作臺(tái)及曲軸支撐孔上載荷的處理 工作臺(tái)上的壓力 KNF 2400 ，工作臺(tái)面積是 2085.2185.1761.1 mA 。由公式AFP / ， 得工作臺(tái)所受壓力為 MPaP 15.1 。右側(cè) 曲軸支撐孔 受到向上的力KNF 6001 ， 21 74612125.019.014.3 mmRLA 。利用余弦公式計(jì)算 支撐 孔的不均勻受力， M P ayyAFP )s in(*16)s in(*/2 111 。中間兩個(gè) 曲軸支撐孔 受到向上的力 KNF 6002 ， 2848232 mmRLA ， M P ayPP )s in(*1.1432 。左側(cè) 曲軸支撐孔 受到向上的力 KNF 6004 ， 24 71667 mmA 。 M P ayP )s in (*7.164 。 在 Workbench進(jìn)行有限 元分析時(shí)，將載荷按照計(jì)算結(jié)果施加在 曲軸支撐孔 ，看機(jī)身的受力和變形情況。 3）邊界約束條件 J75G-200 是 閉式高速壓力機(jī) 機(jī)座的邊界約束條件是通過(guò)地腳螺釘與地面相連的全約束，即可近似模擬其實(shí)際位移狀態(tài)。外力載荷及邊界約束如圖 2.4 所示。 圖 2.4 外力載荷及邊界約束 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 11 2.2.4 材料特性 機(jī)身為 QT600-3 和 HT300 鋼的板材焊接結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)， QT600-3 鋼的彈性模量 E 為 169Gpa，泊松比 為 0.286， QT600-3 鋼的密度取 = 7120kg/m3。 HT300鋼的彈性模量 E 為 143Gpa，泊松比 為 0.27， QT600-3 鋼的密度取 = 7300kg/m3。 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 2.3.1 應(yīng)力和變形要求 （ 1） 變形要求： 0.25m mxx ； 0.25m myy ； mmzz 0.25 。 （ 2） 要求 :材料為球墨鑄鐵和灰鑄鐵，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服。因而在強(qiáng)度分析中采用第三強(qiáng) 度理論或第四強(qiáng)度理論。第三強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力 2 影響，可以較好的表現(xiàn)塑性材料屈服現(xiàn)象，適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。第四強(qiáng)度理論考慮了注意力 2 的影響，而且和實(shí)驗(yàn)較符合，與第三強(qiáng)度理論比較更接近實(shí)際情況。因而在強(qiáng)度評(píng)價(jià)中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力e（又稱 Von Mises 等效應(yīng)力）來(lái)評(píng)價(jià)。 第四強(qiáng)度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料部發(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(jī)身材料為 QT600-3， s =370MPa 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，底座 = s /安全系數(shù) =370/1.47=252MPa，橫梁 = s /安全系數(shù) =300/1.47=204MPa. 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 12 而我們所要的應(yīng)力要求是： MPa204 2.3.2 應(yīng)力 和變形 圖形顯示 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 （單位： MPa，以下相同） 圖 2.5 應(yīng)力等值線圖 2） X 方向變形圖 （單位： mm，以下相同） 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 13 圖 2.6 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 2.7 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 14 圖 2.8 z 方向變形圖 5）總變形圖 圖 2.9 總變形 圖 2.3.3 應(yīng)力分析 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 15 由 Von Mises 應(yīng)力等值線圖可以看到，最大應(yīng)力為 43.012MPa，最小應(yīng)力很小，這么小的應(yīng)力可以忽略不計(jì)。按第四強(qiáng)度理論 max 。其中 MPa204 這是前面已經(jīng)計(jì)算過(guò)了的 ， 應(yīng)力滿足條件。 2.3.4 變形分析 由變形圖可以看到最大變形量是 0.21457mm， X 方向的最大變形量是0.080341mm， Y 方向的最大變形量是 0.21448mm， Z 方向的最大變形量是0.032461mm。最小變形量是 0mm。變形要求： 0.25m mX X； 0.25m myy ； mmzz 0.25 。都是滿足要求的。 2.4 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是詳細(xì)介紹在設(shè)計(jì)過(guò)程中的三維實(shí)體模型的建立，確定有限元分析中的單元選擇，網(wǎng)格劃分方法，載荷的施加，約束的施加以及用分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析并得出結(jié)論。 本章介紹了模型建立過(guò)程中的注意點(diǎn)以及簡(jiǎn)化模型建立 的原則，讓讀者能了解三維實(shí)體建模的整個(gè)過(guò)程。在有限元分析得出分析圖之后，通過(guò) XYZ 三個(gè)方向的變形以及應(yīng)力圖，來(lái)判斷所建模型是否滿足強(qiáng)度和剛度的要求，如果不滿足則需要改進(jìn)機(jī)構(gòu)，假如滿足要求了，還要從節(jié)省材料成本的角度上看，在不影響壓力機(jī)功能的前提下是否可以去除一些不必要的部分。有限元分析是都是不考慮圓角和倒角的，所以還要將應(yīng)力集中問(wèn)題考慮在內(nèi)。 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 16 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 3.1 優(yōu)化分析 一般來(lái)說(shuō)，正規(guī)的設(shè)計(jì)方法，往往取決于各種因素的作用，提出一種初始方案，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，使其滿足強(qiáng)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(jì)而具有競(jìng)爭(zhēng)力。 機(jī)身的優(yōu)化原則是：通過(guò)改變機(jī)身板的厚度，應(yīng)用 ANSYS 計(jì)算出機(jī)身最大應(yīng)力，并滿足應(yīng)力和變形要求：應(yīng)力： 204MPa。變形： x0.25mm y0.25mm z0.25mm。 3.2 優(yōu)化方案一 由于壓力機(jī)機(jī)身的強(qiáng)度和剛度都達(dá)到了要求，現(xiàn)在就是考慮如何減輕質(zhì)量，在機(jī)身強(qiáng)度和剛度依然滿足要求的前提下，最大程度地減少材料。所以此優(yōu)化方案是減小軸承孔面的厚度。兩邊的軸承 孔面由 125mm 減到了 100mm，中間兩個(gè)面由150mm減到了 100mm。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.1 應(yīng)力等值線圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 17 2） X 方向變形圖 圖 3.2 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 3.3 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖 圖 3.4 Z 方向變形圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 18 5）總變形圖 圖 3.5 總變形圖 優(yōu)化方案一中通過(guò)板厚的調(diào)整，減少了很多材料。 X 方向和 Z 方向變化非常小，Y 方向變形略微增大，最大應(yīng)力 43.626MPa 滿足要求，總變形為 0.2338mm 滿足要求。 3.3 優(yōu)化方案二 在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，減少底座工作臺(tái)的面積和并且對(duì)底座部分挖空。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.6 應(yīng)力等值線圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 19 2） X 方向變形圖 圖 3.7 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 3.8 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖 圖 3.9 Z 方向變形圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 20 5）總變形圖 圖 3.10 總變形圖 優(yōu)化方案二對(duì)底座的工作太和局部挖空，但是 XYZ 方向變形不大，最大應(yīng)力也變化不大 。最大應(yīng)力為 44.537MPa，滿足要求。 總變形為 0.23556mm，滿足要求。并且省了很多材料。 3.4 優(yōu)化 方案三 在優(yōu)化方案二的基礎(chǔ)上，減少軸承孔板面的面積，切除 250mm的厚度的板面。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.11 應(yīng)力等值線圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 21 2） X 方向變形圖 圖 3.12 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 3.13 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖 圖 3.14 Z 方向變形圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 22 5）總變形圖 圖 3.15 總變形圖 經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案三的步驟后，最大應(yīng)力達(dá)到 44.341MPa，應(yīng)力滿足要求。 XYZ 三個(gè)方向變形都變大，總變形達(dá)到 0.25648mm，變形不滿足要求。 3.5 優(yōu)化方案四 要減少方案三的變形， 將 曲軸 支撐 孔 加厚并且在 上部分設(shè)立加強(qiáng)筋。 1) Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 3.16 應(yīng)力等值線圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 23 2) X 方向變形圖 圖 3.17 X 方向變形圖 3) Y 方向變形圖 圖 3.18 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖 圖 3.19 Z 方向變形圖 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 24 5）總變形圖 圖 3.20 總變形圖 優(yōu)化方案四，使最大應(yīng)力變 45.294MPa，小于許用應(yīng)力，三個(gè)方向的變形小于許用變形，總變形變?yōu)?0.24860mm，滿足要求 。可以看出機(jī)身剛度變大，同時(shí)減小了質(zhì)量，優(yōu)化方案四 不錯(cuò)。 3.6 選擇最佳方案 將四個(gè)優(yōu)化方案的最大應(yīng)力，最大變形以及質(zhì)量的減少量進(jìn)行對(duì)比，選擇最優(yōu)化方案。如表 3.1 所示。 表 3.1 優(yōu)化方案數(shù)據(jù) 方案 最大應(yīng)力 (MPa） 最大變形 (mm) 質(zhì)量減小量 (kg) 優(yōu)化方案一 43.6 0.2388 1732.5 優(yōu)化方案二 44.5 0.2356 1732.5+925.6 優(yōu)化方案三 44.3 0.2565 1732.5+925.6+788.4 優(yōu)化方案四 45.3 0.2487 1732.5+925.6+788.4-176.2 經(jīng)過(guò)比較 得知，方案三節(jié)省的材料最多，但是變形較其它的方案要大，最大變形超過(guò)許用變形，所以這個(gè)方案是在機(jī)身強(qiáng)度剛度下降的前提下進(jìn)行的。優(yōu)化方案四的材料節(jié)省量比較多，并且計(jì)算出來(lái)的最大應(yīng)力和最大變形都小于許用應(yīng)力和許用變形，很安全。方案一和方案二的最大變形都比較小，偏安全。因而從降低成本 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 25 的角度考慮，原則上選擇優(yōu)化方案四。 3.7 本章小結(jié) 優(yōu)化設(shè)計(jì)最重要的是遵循優(yōu)化準(zhǔn)則，優(yōu)化設(shè)計(jì)中評(píng)定方案是否達(dá)到最優(yōu)，通常會(huì)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的某項(xiàng)或幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，如質(zhì)量指標(biāo)、性能指標(biāo)、重量指標(biāo)、或成本指標(biāo)。原有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形較小 , 其結(jié)構(gòu) 尺寸有減小的余地。優(yōu)化后的壓力機(jī)機(jī)身雖然變形有所增大，但最大變形還是符合要求的。最大應(yīng)力沒(méi)有太大的變化。改進(jìn)后的箱體重量降低 3.27t , 可以較大地降低成本 , 大大提高經(jīng)濟(jì)效益。 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是要掌握設(shè)計(jì)方法，做到胸有成竹，不僅能提高效率，而且可以保證設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 26 第四章 機(jī)身的模態(tài)分析 4.1 模態(tài)分析概述 4.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) 模態(tài)分析為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)核心，其目的就是利用了模態(tài)變換矩陣將耦合的復(fù)雜自由度系統(tǒng)解耦成一系列的單自由度系統(tǒng)振動(dòng)的 線性疊加，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，振動(dòng)故障診斷及動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 線性的振動(dòng)系統(tǒng)按照自身的某階固有頻率做自由諧振即是系統(tǒng)的模態(tài)，而振型則指的是整個(gè)系統(tǒng)會(huì)有確定振動(dòng)形態(tài)。模態(tài)向量就是描述這類振動(dòng)形態(tài)的向量，“加權(quán)正交性”是其一個(gè)重要的特性。 模態(tài)分析即為利用系統(tǒng)的固有模態(tài)正交性，將系統(tǒng)各階的模態(tài)向量所組成的模態(tài)矩陣當(dāng)做變換矩陣，選取其中的物理坐標(biāo)線性變換，最終將振動(dòng)系統(tǒng)利用物理參數(shù)及物理坐標(biāo)所描述、耦合成的運(yùn)動(dòng)方程組，變成用模態(tài)參數(shù)及模態(tài)坐標(biāo)所描述的相互獨(dú)立的一組方程組，便于計(jì)算求解。經(jīng)過(guò)這樣 一種線性的變換過(guò)程，原有的物理坐標(biāo)中的系統(tǒng)對(duì)于任意激勵(lì)后的響應(yīng)，就能視作系統(tǒng)的各階模態(tài)線性組合，所以模態(tài)分析也稱為模態(tài)疊加。各階模態(tài)坐標(biāo)的響應(yīng)就決定了各階模態(tài)在疊加后所占有的比重或者加權(quán)系數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，高階的模態(tài)比低階的模態(tài)加權(quán)系數(shù)小很多，一般只須選擇前面幾階的模態(tài)進(jìn)行疊加就可滿足精度要求。 4.1.2 模態(tài)分析原理 模態(tài)分析是一種確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的技術(shù)，包括自然頻率，振型，模態(tài)參與系數(shù)（在某個(gè)方向某個(gè)振型的貢獻(xiàn)大?。?。模態(tài)分析是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的工程應(yīng)用，是設(shè)計(jì)可以避開(kāi)共振或使結(jié)構(gòu)在某一指定 的頻率處振動(dòng)（如揚(yáng)聲器）；使工程人員能夠意識(shí)到對(duì)于不同的動(dòng)力載荷，結(jié)構(gòu)式如何進(jìn)行響應(yīng)的；對(duì)于其它動(dòng)力學(xué)分析有助于求解控制參數(shù)的確定（時(shí)間步長(zhǎng)等）。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)特性決定了其對(duì)于任何動(dòng)力載荷的響應(yīng)，所以在進(jìn)行其他任何動(dòng)力學(xué)分析之前，建議先進(jìn)行模態(tài)分析。 振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 27 頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法 模態(tài)分析技術(shù)從 20 世紀(jì) 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(dòng)力學(xué)的兩大支柱。模態(tài)分析作為一種 “逆問(wèn)題 ”分析方法，是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法來(lái)處理工程中的振動(dòng)問(wèn)題。 4.2 對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析 為了知道機(jī)身結(jié)構(gòu)在某一受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，測(cè)出在此頻率段內(nèi)各種振源作用下壓力機(jī)機(jī)身的震動(dòng)響應(yīng)，需要對(duì)機(jī)身進(jìn)行自由模態(tài)分析。 通過(guò) ANSYS Workbench 對(duì)機(jī)身進(jìn)行自由模態(tài)分析， 去除前六階剛性模態(tài)， 圖 4-1 至圖 4-10 是機(jī)身自由模態(tài)分析的第 一 階模態(tài)到第十階模態(tài)的振型。 4.2.1 自由 模態(tài)分析 圖 4.1 一 階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 28 圖 4.2 二 階模態(tài) 振型 圖 4.3 三 階模態(tài) 振型 圖 4.4 四 階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 29 圖 4.5 五 階模態(tài) 振型 圖 4.6 六 階模態(tài) 振型 圖 4.7 七 階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 30 圖 4.8 八 階模態(tài) 振型 圖 4.9 九 階模態(tài) 振型 圖 4.10 十階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 31 4.2.2 自由 模態(tài)描述 第 一 階振型是機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn)。 第 二 階振型是機(jī)身在 X 方向左右擺動(dòng)。 第 三 階振型是機(jī)身底座在 Y 方向扭轉(zhuǎn)。 第 四 階振型是機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn)。 第 五 階振型是機(jī)身橫梁頂 部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng)。 第 六 階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng)。 第 七 階振型是機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn)。 第 八 階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng)。 第 九 階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng)。 第十階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng)。 表 5.1 無(wú)約束各階模態(tài)固有頻率 頻率（ Hz） 振型 一 階 95.294 機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn) 二 階 105.86 機(jī)身在 X 方向左右擺動(dòng) 三 階 175.6 機(jī)身底座在 Y 方向扭轉(zhuǎn) 四 階 182.89 機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn) 五 階 191.98 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY平面某個(gè)方向跳動(dòng) 六 階 193.43 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY平面某個(gè)方向跳動(dòng) 七 階 196.16 機(jī)身在 Y 方向扭轉(zhuǎn) 八 階 208.1 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY平面某個(gè)方向跳動(dòng) 九 階 210 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY平面某個(gè)方向跳動(dòng) 十階 212.64 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY平面某個(gè)方向跳動(dòng) 4.2.3 約束 模態(tài)分析 對(duì)機(jī)身的底座加以固定，然后對(duì)機(jī)身進(jìn)行約束模態(tài)分析，對(duì)振型和頻率進(jìn)行研究，避開(kāi)某個(gè)頻率范圍。 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 32 圖 4.11 一階模態(tài) 振型 圖 4.12 二階模態(tài) 振型 圖 4.13 三階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 33 圖 4.14 四階模態(tài) 振型 圖 4.15 五階模態(tài) 振型 圖 4.16 六階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 34 圖 4.17 七階模態(tài) 振型 圖 4.18 八階模態(tài) 振型 圖 4.19 九階模態(tài) 振型 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 35 圖 4.20 十階模態(tài) 振型 4.2.4 約束 模態(tài)描述 第一階振型是機(jī)身橫梁在 X 方向左右擺動(dòng)。 第二階振型是機(jī)身橫梁在 Z 方向左右擺動(dòng)。 第三階振型是機(jī)身橫梁在 Y 方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 第四階振型是機(jī)身橫梁在 Y 方向上下移動(dòng)。 第五階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 Y 方向上下跳動(dòng)。 第六階振型是機(jī)身橫梁在 Z 方向左右擺動(dòng)。 第七 階振型是橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 Y 方向上下跳動(dòng)。 第八階振型是機(jī)身橫梁頂部 Y 方向扭轉(zhuǎn)。 第九階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 Y 方向上下跳動(dòng)。 第十階振型是 機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng) 表 5.2 有約束 各階模態(tài)固有頻率 頻率（ Hz） 振型 一階 40.474 機(jī)身橫梁在 X 方向左右擺動(dòng) 二階 46.11 機(jī)身橫梁在 Z 方向左右擺動(dòng) 三階 82.726 機(jī)身橫梁在 Y 方向發(fā)生扭轉(zhuǎn) 四階 142.13 機(jī)身橫梁在 Y 方向上下移動(dòng) 五階 166.78 機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 Y 方向上下跳動(dòng) 六階 167.75 機(jī)身橫梁在 Z 方 向左右擺動(dòng) 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 36 七階 194.18 上部?jī)蓚?cè)板板沿 Y 軸扭轉(zhuǎn) 八階 197.95 機(jī)身橫梁頂部 Y 方向扭轉(zhuǎn) 九階 206.89 機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 Y 方向上下跳動(dòng) 十階 211.13 橫梁頂部?jī)蓚?cè)在 XY 平面某個(gè)方向跳動(dòng) 4.3 本章小結(jié) 通過(guò)對(duì)壓力機(jī)機(jī)身的最優(yōu)方案進(jìn)行模態(tài)分析，可以找出一到十階機(jī)身的固有頻率，對(duì)于裝配件的固有頻率或者工作中實(shí)際的頻率要避開(kāi)這個(gè)頻率范圍，防止產(chǎn)生共振，導(dǎo)致機(jī)身毀壞。從各振型的振動(dòng)形態(tài)中還能看出變形和扭曲嚴(yán)重的部位，時(shí)間長(zhǎng)了以后，這些部位容易發(fā)生折斷或者裂開(kāi)。有的振型發(fā)生扭轉(zhuǎn)和 彎曲，會(huì)影響模具的壽命和加工質(zhì)量。從振態(tài)的形狀我們可以知道在某個(gè)自然共振頻率下，結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)。若要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛性，你可以從這些較弱的部分來(lái)加強(qiáng)。比如說(shuō)一個(gè)高樓的設(shè)計(jì)，如果經(jīng)過(guò)模態(tài)分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)，最低頻的振態(tài)是在整個(gè)高樓的扭轉(zhuǎn)方向，那表示這個(gè)方向的剛度是首先需加強(qiáng)的部分。知道了這些，我們可以想辦法改進(jìn)機(jī)身設(shè)計(jì)，可以防止長(zhǎng)時(shí)間以后機(jī)身出現(xiàn)裂紋，這樣還能延長(zhǎng)模具的壽命和加工質(zhì)量。 陳建平 J75G-200 閉式高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 37 第五章 結(jié)論和展望 5.1 結(jié)論 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)技術(shù)，已成為一個(gè)企業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力、在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中生存和發(fā) 展以及一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的支柱。 CAE 技術(shù)日益成為工程設(shè)計(jì)和分析人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、替代物理模型的有力工具。本課題以有限元軟件 workbench 為工具平臺(tái)，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元靜態(tài)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模態(tài)，在完成課題的工作中，主要得出以下幾方面的結(jié)論： （ 1）通過(guò)對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，機(jī)身的高應(yīng)力區(qū)集中在曲軸支撐孔上端。 （ 2）分析機(jī)身各結(jié)