J75G-200閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計【優(yōu)秀】

    本科生畢業(yè)設計                畢業(yè)設計題目 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計                                                     學  生  姓  名                                                                 專       業(yè)                                                 班       級                                                                                     指  導  教  師                                            完  成  日  期                                             廣陵 學院畢業(yè)設計（論文）前期工作材料    學生姓名：                 學號：                    系     部：                                         專     業(yè)：                                         設計（論文）題目：  J75G-200 閉式高速壓力機結構                                                           有限元分析及改進設計                            指導老師：                                           材   料   目   錄  序號  名           稱  數(shù)量  備注  1 畢業(yè)設計（論文）選題、審題表  1  2 畢業(yè)設計（論文）任務書  1  3 畢業(yè)設計（論文）實習調(diào)研報告  1  4 畢業(yè)設計（論文）開題報告（含文獻綜述）  1  5 畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯（含原文）  1  6 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表  1                                                          年    月  日    畢業(yè)設計（論文）選題、審題表  學  院   選  題  教  師  姓名   專  業(yè)     專業(yè)技術 職務   申報課題名稱  J75G-200 閉式高速壓力 機 結構有限元分析及改進設計  課題性質              課題來源  A B C D            課題簡介  本課題來源于江蘇揚力集團有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力 機是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運用有限元分析技術對 J75G-200 型壓力機進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ,為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。  本課題的目的 在于鞏固和擴大學生在校期間所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決工程中的實際問題的能力；培養(yǎng)學生調(diào)查研究以及資料、信息獲取和分析的能力；培養(yǎng)學生在設計過程中使用計算機的能力；培養(yǎng)學生撰寫論文的能力；培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。  通過本課題的研究，使學生能夠掌握有限元建模、邊界條件的確定、載荷模擬及結構應力應變場的分析及優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計方法。  設計（論文）  要    求  （包括應具備的條件）  技術要求：  (1) 要求校核 J75G-200 閉式高速壓力 機機身在承載條件下的剛度和強度；  (2) 要求在保證壓 力機強度和剛度的條件下對壓力機主要部件進行優(yōu)化設計；  (3) 分析壓力機的模態(tài)，并對壓力機的工作狀況進行評估。  具備條件 ：  (1) 機房提供學生完成課題所需計算機和有限元分析軟件 ANASY；  (2) 揚州大學圖書館提供學生所需資料。  課題預計  工作量大小  大  適中  小  課題預計  難易程度  難  一般  易         所在專業(yè)審定意見：    負責人（簽名）：  年     月    日  院主管領導意見：                                              簽名：            年     月     日     畢業(yè)設計（論文）任務書     系     部：                                            專     業(yè)：                                                              學生姓名：                  學號：                   畢業(yè)（論文）題目：   J75G-200 閉式高速壓力機 結構     有限元分析及改進設計          起    迄   日   期：         設計（論文）地點：                                指   導    老   師：                                                                  專  業(yè)  負  責   人：                                                                   發(fā)任務書日期：  年  月  日    畢業(yè)設計（論文）任務書  1、本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：  本課題來源于江蘇揚力集 團有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機 是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運用有限元分析技術對 J75G-200 閉式高速壓力機進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ,為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。  本課題的目的在于鞏固和擴大學生在校期間所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決工程中的實際問題的能力；培養(yǎng)學生調(diào)查研究以及資料、信息獲取和分析的能力；培養(yǎng)學生在設計過程中使用計算機的能力；培養(yǎng)學生撰寫論文的能 力；培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。  通過本課題的研究，使學生能夠掌握有限元分析軟件，有限元建模、邊界條件的確定、載荷模擬及結構應力應變場的分析及優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計方法。  2、本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：  2.1 任務內(nèi)容  要求運用有限元分析軟件 ANSYS 對 J75G-200 閉式高速壓力機 進行有結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。模態(tài)分析可以 求出機身振動的固有頻率以及相應的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為壓力機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務內(nèi)容有：  （ 1）  對 J75G-200 型 壓力機機身 進行三維實體建模 ；  （ 2）  了解 J75G-200 型 壓力機 工作性質和工作狀態(tài) ；對其進行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案；   （ 3）  劃分網(wǎng)格，進行有限元結構靜態(tài)分析，求出機身的應力和應變分布規(guī)律， 評價載荷對壓力機工作性能的影響；  （ 4）  對 機身 模型進行 自由 模態(tài)分析，求解 機身 固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分 析其對工作狀況的影響。 （這項選做 ） ；  （ 5）  根據(jù)分析結果，在應力集中危險區(qū)域采取措施改善應力狀況；在低應力區(qū)域，改變相關尺寸變量，以達到減輕部件總體質量的目的。重新進行有限元分析，檢驗改變尺寸后的剛度和強度。重復進行以上步驟，直到獲取最佳方案。    2.2 原始條件及數(shù)據(jù)  該設備的主要參數(shù)如下 : 型         號 :  J75G-200；  公   稱  壓  力 :  2000KN；  滑塊行程：      30mm；  標準行程次數(shù) :  150450；  機身材料：底座 QT600-3，密度 37120 mkg ；  橫梁 HT300，密度 37300 mkg ；  其他數(shù)據(jù)（材料等）見圖紙。  2.3 技術要求  (4) 要求校核 J75G-200 型 壓力機在承載條件下的剛度和強度。  (5) 要求在保證壓力機強度和剛度的條件下對壓力機主要部件進行優(yōu)化設計。  （ 3）   分析壓力機的模態(tài)，并對壓力機的工作狀況進行評估。  2.4 工作要求  （ 1）  在深刻領會任務內(nèi)容及要求的基礎上，查找相關的文獻資料。（ 20 篇以上，除了教師已列出的文獻），通過查閱文獻資料認真研究原始材料，寫出開題報告；  （ 2）  進行理論學習、上機操作、數(shù)據(jù)處理、分析總結、 整理資料，完成與任務書要求相應的工作，并撰寫成畢業(yè)論文，獨立完成畢業(yè)設計的各項工作；  （ 3）  畢業(yè)論文或設計說明書需符合規(guī)范化要求，即：由中外文題名、目錄、中外文摘要、引言（前言）、正文、結論、謝辭、參考文獻和附錄組成，中文摘要在 400漢字左右，外文摘要在 250 個實詞左右，中文題名字數(shù)一般不超過 20個，設計說明書、論文或軟件說明書的總字數(shù)在 1.52 萬漢字；  （ 4）  完成英譯中資料一份；  （ 5）  畢業(yè)設計必須按時按量在規(guī)定的地點認真完成。           畢業(yè)設計（論文）任務書  3、對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求（包括畢業(yè)設計 論文、  圖表、實物樣品等）：  （ 1） 完成實習調(diào)研報告一份；  （ 2） 完成開題報告一份；  （ 3） 完成按本任務書第二項內(nèi)容所述要求撰寫研究論文 一篇 ，篇幅不少于 2萬字；。  （ 4） 完成英譯中資料一份， 不少于 5000字符 。  4、主要參考文獻：  1 梁森 .開式數(shù)控回轉頭壓力機機身的有限元分析及優(yōu)化 D:碩士學位論文 . 山東：山   東工業(yè)大學機械系， 2001. 2 雷小寶 .新型數(shù)字化壓力機的研制 D： 碩士學位論文 .合肥：合肥工業(yè)大學， 2007. 3 張祖芳 .開式壓力機機身的有限元分析及優(yōu)化設計 D:碩士學位論文 .南京：東   南大學， 2004. 4 周平 .新型壓力機機身有限元分析及優(yōu)化 D:碩士學位論文 .南京：南京理工大學，2007. 5 江克斌 , 屠義強 , 邵飛 .結構分析有限元原理及 ANSYS 實現(xiàn) . 北京 : 國防工業(yè)出社 . 6 高耀東 , 郭嘉平 .ANSYS 機械工程應用 25 例 . 7 劉茜，董正身，基于 ANSYS 的 C 型液壓機機身有限元分析，機械設計與制造， 2006，1001-3997 8 劉強，付文智，李明哲 .三梁四柱式多點成形壓力機機架結構有限元分析和優(yōu)化設計 .塑性工程學報 .2003,10(5) 9 傅志方，華宏星 .模態(tài)分析理論與應 用 .上海 :上海交通大學出版社 ,2000  10 張洪武有限元分析與 CAE 技術基礎 M北京：清華大學出版社， 2004 11 傅永華有限元分析基礎 M武漢：武漢大學出版社 ,2003 8  12 侯曉望 , 童水光 . 基于有限元分析的液壓機結構優(yōu)化 J. 浙江大學學報 , 2005, 4:   46-48 13 尚曉江 , 邱峰 .ANSYS 結構有限元高級分析方法與范例應用，北京 :中國水利水電出版社 ,2008 14 王文玷，田保杰   科技論文寫作與發(fā)表   北京：國防工業(yè)出版社 . 15 尚曉江等 . ANSYS 結構有限元高級分析方法與范例應用 .中 國水利水電出版社 .2006.1 16 章爭榮，孫友松等，開式數(shù)控回轉頭壓力機機身結構及其對剛度的影響，鍛壓機械，2001， 3 17 鐘志華，周彥偉 . 現(xiàn)代設計方法 .武漢理工大學出版社 .2001.8. 18 雷小燕 .有限元法 .中國鐵道出版社 .2000.10 19 龔曙光 .ANSYS 基礎應用及范例解析 .機械工業(yè)出版社 .2003.1          畢業(yè)設計（論文）任務書  5、本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃  起止日期  工  作  內(nèi)  容   第 1-2 周：   第 3-4 周：  第 5-7 周：   第 8-10 周：   第 11 12 周：   第 13-15 周：    收集閱讀與課題有關的中英文資料 15篇；  翻譯英文資料  ；  畢業(yè)實習，并完成實習報告；  調(diào)查研究、分析課題，提交開題報告；  有限元軟件（ ANSYS）操作練習；  對壓力機機身進行有限元建模研究；  結構分析，有限元計算，數(shù)據(jù)處理；  給出優(yōu)化方案及分析結果  。  撰寫畢業(yè)論文  。  對所做工作進行總結、分析、做 PPT,準備畢業(yè)答辯   。   所在專業(yè)審核意見：     負責人：                 年      月      日   學院意見：        院長：    年    月    日     畢業(yè)設計（ 論文）開題報告        學  生  姓  名：                學號：                                                  專        業(yè)：                                                                      設計（論文）題目：       J75G-200 閉式高速壓力機結構                              有限元分析及改進設計                          指  導  老  師：                                                                    年   月   日     畢業(yè)設計（論文）開題報告  1、 結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000 字左右的文獻綜述：  文  獻  綜  述  1.1 國內(nèi)外高速壓力機發(fā)展狀況  機械 行業(yè) 是國民產(chǎn)業(yè)中極其重要的基礎行業(yè) 1。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機需求也越來越多，國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，機械 行業(yè)正從以機器為特征的傳統(tǒng)技術時代向著高速化、高精化和柔性化的信息時代發(fā)展，即利用當代高科技信息來裝備傳統(tǒng)的機械行業(yè) 2。我們運用有限元分析技術對 高速壓力機 進行結構分析并給出優(yōu)化方案。本課題的研究主要是為了為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。本課題中的 J75G-200 閉式高速壓力機采用兩種有限元分析軟件 Ansys Workbench 10.0 和 Abaqus 對其剛度和強度分別進行模擬分析 ,得出機身的應力和變形的分布 ,為結構的合理設計提供了可靠的理 論依據(jù) 3。      高速壓力機的發(fā)展將近有 100 年的歷史。 1900 年德國的舒勒 (SCHULER)壓力機公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺自動化壓力機 4。美國亨利特公司在  1910 年首創(chuàng)四柱底傳動結構的高速壓力機，當時稱為  dieing machine5。在  1955 年以前該機為高速壓力機的代表機型。以后隨著電機和電器工業(yè)的發(fā)展，各國紛紛研制高速壓力機。 1953 年德國舒勒公司生產(chǎn)出  1250kN 閉式雙點壓力機，行程  20mm，行程次數(shù)達到  150rpm6。后來美國明斯特（ MINSTER）公司推 出的  Pulsar 系列超高速壓力機以及日本會田公司引進瑞士布魯?shù)吕展炯夹g生產(chǎn) AIDA-BRUDERER 系列  BSTA 型高速壓力機和  PDAL 系列高速壓力機也均采用了上傳動方式，不但提高了動態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲 78。 隨著科學的發(fā)展，技術的革新，壓力機的品種越來越多，質量越來越好，壓力越來越大，精度也越來越高。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機的主要國家都是傳統(tǒng)的制造強國，其中以日本、美國和德國為主?，F(xiàn)在和日本、德國并稱為世界三大高速壓力機生產(chǎn)基地 69。 世界上已經(jīng)能夠設計生產(chǎn)出最 大壓下能力為 60000KN 的單動壓力機、最大壓下能力為  32000KN 的雙刀壓力機以及最大壓下能力為 85000KN 的多工位壓力機 10。  國內(nèi)高速壓力機是上世紀  80 年代開始從國外引進技術而發(fā)展起來的。目前，生產(chǎn)高速壓力機的主要廠家有上海第二鍛壓機床廠、廈門鍛壓機床有限公司、諸城鍛壓機床股份有限公司、寧波機床廠和江蘇揚力集團等。我國第一臺高速壓力機是在  1982 年由  濟南鑄鍛機械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機公稱力為  600KN，最高的速度可達到  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。跨入  21 世紀后，國內(nèi)企業(yè)中徐州鍛壓機床廠的高速沖床生產(chǎn)開始形成規(guī)模，先后研制成功了  JF75G 系列閉式高速壓力機和  V H45 開式高速精密沖床，其沖壓速度分別達到  600 次 /min 和  1200 次 /min11。目前，由于國內(nèi)材料技術和機械加工技術與國外先進技術存在差距，國內(nèi)高速壓力機的發(fā)展也受到了相應的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領域內(nèi)缺乏競爭力；國內(nèi)的自動控制與補償技術還未較好的應用 于高速壓力機中，使國內(nèi)產(chǎn)品精度相對先進技術較低；由于國內(nèi)高速壓力機產(chǎn)品主要通過引進技術生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國內(nèi)壓力機品種和規(guī)格較為單一 121314。      1.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀      有限元的的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假象的離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程進度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。有限元的創(chuàng)立與科學的發(fā)展和工業(yè)界需求相關。 1953 年， Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機翼振動時，將機翼分成很多片小三角形板，計算的機翼結構撓度與小比例模型試驗數(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，正式拉開了有限元發(fā)展的歷史 15。自從  1965 年 “有限元 ”這個名詞第一次出現(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。近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視， 已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍。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)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費161718。  隨著電子計算機速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越來越廣泛地被人們所接受 ,人們不必再在編寫程序上花費大量的精力。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、逐點輸入結點坐標和單元聯(lián)接信息 ,而且通過屏幕菜單方式 ,得到了良好的人機對話環(huán)境和在計算結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個部分 ,即前處理部分、處理部分和后處理部分。它們通過互交式計算機圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 19。    有限元方法的一些發(fā)展趨勢 20： （ 1） 與  CAD 軟件的無縫集成  （ 2） 更強大的網(wǎng)格處理能力  （ 3） 由求解線性問題發(fā) 展到求解非線性問題  （ 4） 由單一結構場求解發(fā)展到耦合場問題求解  （ 5） 程序面向用戶具有開放性  1.3 ANSYS 軟件簡介      ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場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 ANSYS 開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 CAD 工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊 。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計算結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（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工 程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。    參考文獻  20 朱森第 .我國裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升 R.開發(fā)研究 ， 2009(1)： 6-11 21 肖燕 .信息化為現(xiàn)代制造業(yè)驅動未來 J.世界制造技術與裝備市場 ， 2011(2)： 99-104 22 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機機身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報 ， 2011， 11(1) 23 張進 .多連桿機械式壓力機動力學分析研究 D.合肥 ：合肥工業(yè)大學， 2012 24 劉運璽 .HD-200 高速壓力機工作機構的動力學仿真及其機身結構優(yōu)化 D.山東 ： 山東大學， 2013 25 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機機身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報 ， 2011， 11(1) 26 陳正中 .高速精密壓力機特點及其發(fā)展趨勢 J.鍛壓機械， 1998， 32(5)： 8-9 27 張寶瑋 .中國鍛壓技術及裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展 J.機械工人（熱加工） ， 2003， 53(4)： 41-43 28 蔣舒 .高速精密壓力機精度分析與試驗研究 .D.江蘇 ： 東南大學 ， 2010 29 周曉平 .板沖壓力機及其自動沖壓線 J.一重技術 ， 1993(4)： 69-74 30 管培鵬 .高速壓力機多體動力學研究及仿真 D.南京：南京航空航天大學， 2012   31 王磊 .高速壓力機的精度分析與研究 .D.江蘇 ： 東南大學 ， 2007 32 黃才元 ， 宋志強 .中國鍛壓機床的現(xiàn)在和未來 J.鍛壓裝備與制造技術 .2006， 2， 12-17 33 趙升噸 ， 張學來 ， 高長宇等 .高速壓力機的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 J.鍛壓設備與制造技術， 2005， (1). 34 王華瑜，初克建 .土木工程有限元程序現(xiàn)狀與發(fā)展 R.山東：山東省龍口市金泰規(guī)劃建筑設計有限 公司；北京天圓泰工程造價咨詢有限公司， 2011 35 傅永華 .有限元分析基礎 M.武漢 ： 武漢大學出版社 ， 2003.8 36 李人憲 .有限元法基礎 M.北京 ： 國防工業(yè)出版社 ， 2002.5 37 楊先海 ， 褚金奎 ， 尹明富等 .有限元數(shù)值模擬技術及工程應用 J.機械設計與制造 ，2003(3)： 107-108 38 張晉紅 ， 吳風林 .有限元法及其應用現(xiàn)狀 D.山西：太原理工大學機械工程學院 ， 2003 39 蔣晨 .基于有限元技術的板材加工機械優(yōu)化設計與分析 D.南京：東南大學， 2005                        畢業(yè)設計（ 論文）開題報告  2、本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：  2.1 課題的來源  本課題來源于江蘇揚力集團有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機 是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運用有限元分析技術對 J75G-200 閉式高速壓力機進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ， 為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。  2.2 課題分析（研究或解決的問題）      運用有限元分析軟件 ANSYS 對 J75G-200 閉式高速壓力機 進行有結 構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。模態(tài)分析可以求出機身振動的固有頻率以及相應的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為壓力機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務以及要解決的問題是：  （ 1） 對 J75G-200 型壓力機機身進行三維實體建模；  （ 2） 了解 J75G-200 型壓力機工作性質和工作狀態(tài)；對其進行工作載荷分析，確定 邊界條件及加載方案 ；  （ 3） 劃分網(wǎng)格，進行有限元結構靜態(tài)分析，求出機身的應力和應變分布規(guī)律，評價載荷對壓力機工作性能的影響；  （ 4） 對機身模型進行自由模態(tài)分析，求解機身固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作狀況的影響 ；  （ 5） 根據(jù)分析結果，在應力集中危險區(qū)域采取措施改善應力狀況；在低應力區(qū)域，改變相關尺寸變量，以達到減輕部件總體質量的目的。重新進行有限元分析，檢驗改變尺寸后的剛度和強度。重復進行以上步驟，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 里畫出 J75G-200 閉式高速壓力機 的三維模型；  （ 3）  將高速壓力機的模型導入 ANSYS 軟件；  （ 4）  添加材料特性：機底是 QT600-3，密度 =7120 /m3； 橫梁 HT300， 密度 =7300 /m3 （ 5）  對單元進行網(wǎng)絡劃分，遵循 “ 均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ” 原則 ；  （ 6）  對模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件；    （ 7）  對壓力機進行加載：設備在工作時承受兩個相反方向的載荷，機身所受載荷簡化為對機身的兩個方向的均布載荷；  （ 8）  對壓力機進行應力場分析；  （ 9）  分析壓力機在加載情況下機身變形情況以及應力和應變分布規(guī)律；  （ 10） 對機身結構進行結構靜態(tài)分析優(yōu)化，評價載荷對壓力機工作性能的影響，從而選擇合適的機身尺寸和材料厚度，盡量減輕機身的重量；  （ 11） 對壓力機進行自由模態(tài)分析，得到機身結構的固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作的狀況的影響；  （ 12） 通過分析結果，改善應力狀況和改變相關尺寸變量，以減輕總體質量，然后進行有限元分析，檢驗剛度和強度，依次重復以上步驟，直至取得最佳方案。                           方案定制框圖                                   課題分析對所做工作進行總結、分析、做 PPT,準備畢業(yè)答辯   。  尋找相關資料，如文獻，圖紙尺寸等  進行三維建模  用 solidworks 根據(jù)壓力機的尺寸畫出三維模型  將三維模型導入 ANSYS 軟件   先了解 ANSYS 軟件的基本操作   添加材料特性    材料特性：底座是 QT600-3,密度 =7120 /m3 ；橫梁 HT300，密度 =7300 /m3 ；   網(wǎng)絡劃分  設置好網(wǎng)絡參數(shù)  添加約束  選擇固定約束，選擇固定端和自由端  添加載荷  求得機身應力及應變的分布規(guī)律   進行有限元結構靜態(tài)分析   得出機身固有頻率及相應的振型等動態(tài)參數(shù)   進行模態(tài)分析  得出最佳方案  剛度和強度是否達要求   Y 改善應力狀況和改變機身尺寸   N   2.4 本畢業(yè)設計課題工作進度計劃  起止日期  工  作  內(nèi)  容  第 1 -2 周  收集閱讀與課題有關的中英文資料 15 篇；  翻譯英文資料  ；  第 3 -4 周  畢業(yè)實習，并完成實習報告；  第 5 -7 周  調(diào)查研究、分析課題，提交開題報告；  第 8 -10 周  有限元軟件（ ANSYS）操作練習；  對壓力機機身進行 有限元建模研究；  結構分析，有限元計算，數(shù)據(jù)處理；  第 11 12 周  給出優(yōu)化方案及分析結果 ；  撰寫畢業(yè)論文 ；  第 13 - 15 周  對所做工作進行總結、分析、做 PPT,準備畢業(yè)答辯 ；                   畢業(yè)設計（論文）開題報告    指導教師意見 ：  1、對“文獻綜述”的評語：      2、對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果  的預測：     指導老師：                           年    月    日  所在專業(yè)審查意見：    負責人：                                                   年     月     日  畢業(yè)設計（論文）中期檢查表    學生姓名   學號   指導教師    選題情況   課題名稱    J75G-200 閉式高速壓力機結構 有限元分析及改進設計  難易程度  偏難   適中    偏易   工  作  量  較大   合理    較小   符合規(guī)范化  的要求  任務書  有    無   開題報告  有    無   外文翻譯質量  優(yōu)   良    中   差   學習態(tài)度  出勤情況  好        一般    差   工作 進度  快   按計劃進行        慢   中期工作匯報及解答問題情況   優(yōu)       良       中       差      中期成績評定：  所在專業(yè)意見：                                                                 負責人                 年       月        日   實習 調(diào)研 報告  -楊力集團參觀實習報告    2014 年 4 月 9 日下午 2 點，老師組織我們參觀實習，這是我們機械制造專業(yè)知識結構中不可缺少的組成部分，并 作為一個獨立的項目列入畢業(yè)設計的安排中。其目的在于通過實習使學生獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴大知識面；同時專業(yè)實習又是鍛煉和培養(yǎng)學生業(yè)務能力及素質的重要渠道，培養(yǎng)當代大學生具有創(chuàng)新的精神，拓展我們的發(fā)散性思維，也是學生接觸社會的一個重要途徑，體驗企業(yè)工作的內(nèi)容和方法。這些實際知識，對我們的畢業(yè)設計過程中起著十分有意義的作用。同時對我們以后在工作崗位上是從事技術方面的工作還是管理方面的工作，都將有很大的幫助。帶著激動而興奮的心情，我們來到了目的地進行參觀。  在研究生的帶領下，我們參觀了揚州楊力集團 。楊力集團有限公司 始創(chuàng) 1966年，總部坐落于長三角沿江工業(yè)走廊核心區(qū)域的揚州市邗江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。現(xiàn)有員工 6000余人，占地面積 1600 畝，注冊資本 1億元，資產(chǎn)總額 22億元。集團下轄揚力重機、揚力數(shù)控、揚力精機、揚力液壓、揚力機床等五家全資或控股企業(yè)。憑借得天獨厚的區(qū)域環(huán)境和自身優(yōu)勢，揚力集團以 46年的光輝歷程，創(chuàng)造了我國鍛壓機床發(fā)展史上一個又一個奇跡，先后榮獲“國家重點高新技術企業(yè)”、“中國鍛壓機床排頭兵”、“中國機械企業(yè) 500 強”、“全國五一勞動獎狀”等榮譽和稱號。 2008 年，揚力商標被國家工商總局正式認定 為“中國馳名商標”。  此次，我們主要參觀了壓力機生產(chǎn)車間，通過公司負責人的介紹，我了解了楊力集團長期致力于壓力機的開發(fā)與研究。主要產(chǎn)品有 J75G系列閉式雙電高速精密壓力機 ； SHC 系列三圓導柱高速精密壓力機  ； P2H 系列閉式雙點高速精密壓力機等。并且介紹了壓力機的工作原理，和受力情況。 長期以來，揚力集團致力于沖、剪、折、激光等各類中高端金屬板材設備的開發(fā)研制，實施以“品牌、品質、品位”為一體的“三品”戰(zhàn)略，打造技術一流的職工團隊，創(chuàng)造國內(nèi)領先的產(chǎn)品品牌，產(chǎn)品廣泛應用于航空、汽車、家電、五金、造幣等生產(chǎn)領域，并 遠銷歐美、東南亞等幾十個國家和地區(qū)。 隨著全球經(jīng)濟一體化步伐的加快，今天的揚力人正將目光聚焦世界，不惜重金引進技術、引進人才、擴大投入，瞄準國際一流水平，加大產(chǎn)品與產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整力度，努力實施從 “ 數(shù)量擴張型 ” 到 “ 技術創(chuàng)新型 ” 、 “ 質量增長型 ” 和 “ 服務推進型 ” 轉變，以 “ 務實、創(chuàng)新、卓越 ” 的精神風范和 “ 創(chuàng)新轉型、揚力快行 ”的發(fā)展思路投身 “ 十二五 ” 高端制造的浪潮之中，向著百億企業(yè)、百年揚力的目標昂然邁進。      總結這次參觀的感想，我學習了不少機械領域以往所不知道的知識，了解了我們國家機械現(xiàn)狀和最新進展情況，還對機械 領域的人才需求有了較為系統(tǒng)的了解。也是對以前所學知識的一個初審，從這次參觀中，讓我深刻的體會到了，自身知識的缺乏，和對現(xiàn)代工業(yè)的無知，對于先進技術的不了解，跟不上社會發(fā)展的步子，自己仍然停留在“原始社會”?，F(xiàn)代高科技化的生產(chǎn)運作，已經(jīng)是隨處可見，然而我  們卻從來沒有真正的體驗過。從這次的經(jīng)歷中，讓我明白了只有實踐才能讓我們提高，學習書本的知識，是為了在實踐中運用，在從中體會總結經(jīng)驗，提高自身技能和實戰(zhàn)經(jīng)驗。我必須加強專業(yè)知識和實踐的結合，以使自己將來進入公司能盡快的適應公司，適應社會。為整個機械行業(yè)，為整個社 會做出自己的一份貢獻。為未來做好充分的準備，才能立足于這個競爭激勵的社會！               I  中文摘要  有限元分析和結構優(yōu)化等 CAE 技術的應用，對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質量，降低制造成本，增強企業(yè)競爭力具有重要意義。本論文以壓力機機身為研究對象，利用有限元分析軟件 ANSYS 作為分析工具，進行有結構靜態(tài)分析、結構優(yōu)化設計以及模態(tài)分析。    首先， 采用四面體實體單元建立機身的三維有限元模型，對壓力機機身結構和受力特點進行分析，確定其載荷分布和約束，分析計算有限元模型，得到機身的應力與應變分布規(guī)律。校 核機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結果進行結構優(yōu)化設計 ,通過較傳統(tǒng)的人工優(yōu)化找出了比較合理的結構，用加厚材料來矯正變形量過大的問題，用去除受力或變形小區(qū)域的材料來減輕質量等。  其次， 運用 ANSYS Workbench 進行模態(tài)分析，分析其固有頻率以及對應的振型。了解該壓力機的模態(tài)特征和動態(tài)特征，為結構的 動態(tài) 設計和改進提供了理論依據(jù)和基礎 。  最后 ， 對論文的研究內(nèi)容進行了總結和展望。   關鍵詞：壓力機，有限元分析，優(yōu)化設計，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 國內(nèi)外壓力機發(fā)展狀況  . 1 1.1.1 國外壓力機發(fā)展狀況  . 1 1.1.2 國內(nèi)壓力機發(fā)展狀況  . 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介  . 3 1.2.3 機身結構設計中的有限元運用  . 4 1.3 課題來源及選題的目的和意義  . 4 1.3.1 課題來源  . 4 1.3.2 選題的目的和意 義  . 4 1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問題  . 5 第二章  壓力機機身的靜態(tài)分析  . 7 2.1 機身簡介  . 7 2.2.1 單元類型的選擇  . 8 2.2.2 網(wǎng)絡的劃分  . 9 2.2.3 邊界條件的施加  . 10 2.2.4 材料特性  . 11 2.3 計算結果分析  . 11 2.3.1 應力和變形要求  . 11 2.3.2 應力和變形圖形顯示  . 12 2.3.3 應力分析  . 15 2.3.4 變形分析  . 15    IV 2.4  本章小結  . 15 第三章  機身結構的改進  . 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  . 25 第四章  機身的模態(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  . 26 4.1.2 模態(tài)分析原理  . 26 4.2 對機身進行模態(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  . 36 第五章  結論和展望  . 37 5.1 結論  . 37 5.2 展望  . 37 致謝  . 39 參考文獻  . 40     J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    1  第一章  緒論  1.1 國內(nèi)外壓力機發(fā)展狀況  機械行業(yè)是國民產(chǎn)業(yè)中極其 重要的基礎行業(yè) 1。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機需求也越來越多，國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，機械行業(yè)正從以機器為特征的傳統(tǒng)技術時代向著高速化、高精化和柔性化的信息時代發(fā)展，即利用當代高科技信息來裝備傳統(tǒng)的機械行業(yè) 2。我們運用有限元分析技術對 高速壓力機 進行結構分析并給出優(yōu)化方案。 來 提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。  1.1.1 國外壓力機發(fā)展狀況  高速壓力機的發(fā)展將近有 100 年的歷史。 1900 年德國的 舒勒 (SCHULER)壓力機公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺自動化壓力機 3。美國亨利特公司在  1910 年首創(chuàng)四柱底傳動結構的高速壓力機，當時稱為  dieing machine4。在  1955 年以前該機為高速壓力機的代表機型。以后隨著電機和電器工業(yè)的發(fā)展，各國紛紛研制高速壓力機。 1953 年德國舒勒公司生產(chǎn)出  1250kN 閉式雙點壓力機，行程  20mm，行程次數(shù)達到  150rpm5。后來美國明斯特（ MINSTER）公司推出的  Pulsar 系列超高速壓力機以及日本會田公司引進瑞士布魯?shù)吕展炯夹g生產(chǎn) AIDA-BRUDERER 系列  BSTA 型高速壓力機和  PDAL 系列高速壓力機也均采用了上傳動方式，不但提高了動態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲 6-7。隨著科學的發(fā)展，技術的革新，壓力機的品種越來越多，質量越來越好，壓力越來越大，精度也越來越高。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機的主要國家都是傳統(tǒng)的制造強國，其中以日本、美國和德國為主?，F(xiàn)在和日本、德國并稱為世界三大高速壓力機生產(chǎn)基地 58。世界上已經(jīng)能夠設計生產(chǎn)出最大壓下能力為 60000KN 的單動壓力機、最大壓下能力為  32000KN 的雙刀壓 力機以及最大壓下能力為 85000KN 的多工位壓力機 9。  1.1.2 國內(nèi)壓力機發(fā)展狀況  國內(nèi)高速壓力機是上世紀  80 年代開始從國外引進技術而發(fā)展起來的。目前，生產(chǎn)高速壓力機的主要廠家有上海第二鍛壓機床廠、廈門鍛壓機床有限公司、諸城 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    2 鍛壓機床股份有限公司、寧波機床廠和江蘇揚力集團等。我國第一臺高速壓力機是在  1982 年由濟南鑄鍛機械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機公稱力為  600KN，最高的速度可達到  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?？缛? 21 世紀后，國內(nèi)企業(yè)中徐州鍛壓機床廠的高速沖床生產(chǎn)開始形成規(guī)模，先后研制成功了  JF75G 系列閉式高速壓力機和  V H45 開式高速精密沖床，其沖壓速度分別達到  600 次 /min 和  1200 次 /min10。目前，由于國內(nèi)材料技術和機械加工技術與國外先進技術存在差距，國內(nèi)高速壓力機的發(fā)展也受到了相應的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領域內(nèi)缺乏競爭力；國內(nèi)的自動控制與補償技術還未較好的應用于高速壓力機中，使國內(nèi)產(chǎn)品精度相對先進技術較低；由于國 內(nèi)高速壓力機產(chǎn)品主要通過引進技術生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國內(nèi)壓力機品種和規(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構的離散化，就是將實際結構假象的離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程進度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。有限元的創(chuàng)立與科學的發(fā)展和工業(yè)界需求相關。1953 年， Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機翼振動時，將機翼 分成很多片小三角形板，計算的機翼結構撓度與小比例模型試驗數(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，正式拉開了有限元發(fā)展的歷史 14。自從  1965 年 “有限元 ”這個名詞第一次出現(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。近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航 天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍。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)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    3 在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費 15-17。  1.2.2 有限元分析 軟件的 簡介      ANSYS 是目前國際上著名的有限元軟件之一，該軟件是集結構、 熱、流體、電磁場、聲場和藕合場分析于一體。 ANSYS 廣泛應用于機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學研究等眾多領域。      ANSYS 作為一個功能強大、應用廣泛的有限元分析軟件，其技術特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面 :     1） 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結果，實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。      2） 強大的建模能力。 ANSYS 具備三維建模能力，僅靠 ANSYA 的 GUI(圖形界面 )就可建立各種復雜的幾何模型。      3） 強大的求 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） 強大的非線性功能。 ANSYS 可以進行幾何非線性、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)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。      6） 良好的優(yōu)化功能。利用 ANSYS 的優(yōu)化設計功能，用戶可以確定最優(yōu)設計方案：利用 ANSYS 的拓撲優(yōu)化功能，用戶可以對模型進行外型優(yōu)化，尋求物體對材料的最佳利用。      7） 可實現(xiàn)多場藕合功能。 ANSYS 可以研究各物理場間的相互影響。      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 ,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。      9） 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 ANSYS 開放式的結構使用戶可以利用 APDL、 UIDL和 UPFS 對其進行二次開發(fā)。      結構分析是 ANSYS 功能之一，其中包括：靜力分析 (用于分析結構的靜態(tài)行為，可以考慮結構的線性及非線性特性 )；模態(tài)分析 (計算線性結構的自振頻率及振型 )；譜分析 (是模態(tài)分析的擴展 ,用于計算由于隨機振動引起的結構應力和應變 )；協(xié)響應 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    4 分析 (確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應 )；瞬態(tài)動力學分析 (確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，可以考慮與靜力分析相同的結構非線性特性 )；特征屈曲分析 (用于計算線性屈曲荷載，并確定屈曲模態(tài)形狀 )；專項分析 (斷裂分析，復合材料分析，疲勞分析 )等。  1.2.3 機身結構設計中的有限元運用  優(yōu)化設計越來越多地應用于產(chǎn)品設計中。通過優(yōu)化設計，能夠使零部件的的力學性能得到改善，并獲得理想的結構布局和尺寸大小。結構優(yōu)化是指在預定目標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。機械結構應用優(yōu)化設計方法一般可節(jié)省材料 7% 40%，因此優(yōu)化設計技術越來越受到人們的重視。  機身是機床中結構和受力比較復雜的部件，機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，就整個機構而言，當機身重量減輕后，整個機床重量也隨之降低，從而改善整個機床的動力性和經(jīng)濟性等性能。  安全、節(jié)能和環(huán)保是機床面臨的三大熱點問題，如何提高整個機床的加工精度是機床穩(wěn)定性中需要解決的問題之一。利用有限元法進行機床加工過程的模擬計算，涉及到大變形等非線性問題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計算可以節(jié)省昂貴的實體實驗經(jīng)費，且在設計 階段模擬分析是唯一的分析手段，國內(nèi)、外機床公司普遍采用這一方法。  1.3 課題來源及選題的目的和意義  1.3.1 課題來源  本課題來源于江蘇揚力集團有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機 是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。運用有限元分析技術對 J75G-200 閉式高速壓力機 進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究，為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。  1.3.2 選題的目的和意義  近年來 ， 由于我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展 ， 各行各業(yè)對壓力機特別是新 型壓力機的需求越來越多 ， 國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。世界許多壓力機生產(chǎn)廠家都把精力 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    5 集中在開發(fā)高速度、高精度的壓力機上。我國目前對壓力機機身的設計長期以來還沿用經(jīng)驗、類比的傳統(tǒng)設計方法 ， 設計出的床身不僅性能差 ,結構笨重 ， 速度、精度提不高 ， 而且設計周期長 ， 制造成本高 ， 更新?lián)Q代慢 ， 這些問題使得國產(chǎn)壓力機在高檔次壓力機領域內(nèi)無法與國外壓力機相抗衡。隨著電子技術、計算機技術與機床分析技術的結合 ， 要求我們引入現(xiàn)代設計理念與手段 ， 利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)特征的計算 ， 對新型壓力機機身作全面的分析優(yōu)化。同時 ， 對壓力機的優(yōu)化方 法進行探索 ， 實現(xiàn)真正意義上的設計 。  1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問題  1）主要內(nèi)容  要求運用有限元分析軟件 ANSYS 對 J75G-200 閉式高速壓力機 進行有結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。模態(tài)分析可以求出機身振動的固有頻率以及相應的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為壓力機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。  2）技術要求  （ 1）   要求校核 J75G-200 型 壓力機在承載條件下的剛度和強度。  （ 2）   要求在保證液壓機強度和剛度的條件下對液壓機主要部件進行優(yōu)化設計。  （ 3）   分析液壓機的模態(tài)，并對液壓機的工作狀況進行評估。  3）方案定制  （ 1）   先熟悉和了解 Solidwords 軟件和 ANSYS 軟件；  （ 2）   在 Solidwords 里畫出 J75G-200 閉式高速壓力機 的三維模型；  （ 3）   將高速壓力機的模型導入 ANSYS 軟件；  （ 4）  添加材料特性 ： 機底是 QT600-3，密度 =7120kg/m3；橫梁 HT300，密度=7300kg/m3；  （ 5）   對單元進行網(wǎng)絡劃分，遵循 “ 均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ” 原則；  （ 6）   對模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件；   J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    6 （ 7）   對壓力機進行加載：設備在工作時承受兩個相反方向的載荷，機身所受載荷簡化為對機身的兩個方向的均布載荷；  （ 8）   對壓力機進行應力場分析；  （ 9）   分析壓力機在加載情況下機身變形情況以及應力和應變分布規(guī)律；  （ 10）  對機身結構進行結構靜態(tài)分析優(yōu)化，評價載荷對壓力機工作性能的影響，從而選擇合適的機身尺寸和材料厚度，盡量減輕機身的 重量；  （ 11）  通過分析結果，改善應力狀況和改變相關尺寸變量，以減輕總體質量，然后進行有限元分析，檢驗剛度和強度，依次重復以上步驟，直至取得最佳方案。  （ 12）  對壓力機進行模態(tài)分析，得到機身結構的固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作的狀況的影響；                   J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    7 第二章  壓力機機身的靜態(tài)分析  2.1 機身簡介  機身是壓力機的一個基本支撐部件，工作時承受全部工作變形力。因此，機身的合理設計對減輕壓力機重量，提高壓力機剛度 ,以及減少制造工時，都有直接的影響。 機身分為兩大類：即開式機 身和閉式機身。 J75G-200 是 閉式高速壓力機雙電高速精密壓力機。 機身結構如下圖所示。 J75G-200 閉式 的主要技術規(guī)格如下：  型         號：  J75G-200 公   稱  壓  力：  2000KN 滑塊行程：      30mm 標準行程次數(shù)：  150450/min  圖 2.1  機身 幾何 結構圖  2.2 有限元模型的建立  在進行有限元分析之前，首先需要將分析對象的結構模型轉換為便于分析的結構分析模型或力學模型。為保證全面地反映機身的應力應變情況，同時使有限元模型得到簡化，確定了下面四條建 模原則：  1） 對于明顯不會影響機身的整體強度、剛度的部位 ,如螺釘孔、銷孔、圓角等予橫梁  底座  工作臺   J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    8 以簡化；      2）認為焊接質量可靠，且不考慮焊接對各板傳力的影響；  3）將導軌看成自由界面，滑塊與導軌之間無力的傳遞；  4）地腳螺栓剛度無限大，不考慮地基及機身以外部件彈性變形；   圖 2.2  壓力機實體模型  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  在以往壓力機機身的分析中，由于受計算機硬件水平的限制，多選用有限元中的梁、板殼單元來描述機身的結構。由于機身各部分具有不同的板厚，因此即使選擇同一單元類型時，也必須設置不同的實常數(shù)來定義板厚、梁單元的截面尺寸、轉動慣量等參數(shù)，若設置參數(shù)較少，必然會對結構作較大簡化；若參數(shù)設置較多，又給單元的劃分增加了計算量和復雜程度。同時，由于板單元和梁單元的節(jié)點自由度數(shù)不同，因此必須考慮不同類型單元之間連接時位移的連續(xù)性問題，這就需要人工調(diào)整。若人工 干預太大，容易引起單元畸變。因此，用板、梁等單元建立的有限元模型，必將帶來一定的計算誤差，特別是對一些重要的局部區(qū)域，其分析時誤差較 J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    9 大。  因此用三維實體單元來描述機身結構，更能反映機身的實際情況。在 ANSYS 軟件里，三維實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要求結構規(guī)則，而對于機身這類較復雜的結構，對其進行六面體單元的自動劃分十分困難。采用四面體單元分析三維結構，單元劃分比較靈活，可以逼近較復雜的幾何形狀。因此 ， 本文計算時 ， 采用單元 sohd45， 該單元為四面體 8 節(jié)點三維實體線性單元 ， 每 節(jié)點有三個移動自由度 ， 同時指定單元邊長 ， 這樣可以得到比較均勻的單元 ， 從而節(jié)省計算時間。  2.2.2 網(wǎng)絡的劃分  利用 ANSYS Workbench 的智能尺寸網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分器 Meshing tool 對將要劃分網(wǎng)格的體上的所有線估算單元邊長大小，對幾何體上的彎曲近似區(qū)域的線進行細化，自動生成合理形狀的單元和單元尺寸分布。通過基本控制和高級控制可以設置網(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 個單元， 118025 個單元節(jié)點。  精度越高，網(wǎng)格 的質量也越好。當然，復雜幾何區(qū)域的網(wǎng)格單元會變扭曲。劣質的單元會導致劣質的結果，或者在某些情況無結果 !有很多方法來檢查單元網(wǎng)格質量 (mesh metrics*)。例如，一個重要的度量是單元畸變度（  Skewness ）?；兌仁菃卧鄬ζ淅硐胄螤畹南鄬εで亩攘浚且粋€值在 0 (極好的 ) 到 1 (無法接受之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機身如圖 2-3 所示。   圖 2.3 機身網(wǎng)絡劃分   J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    10 2.2.3 邊界條件的施加  1）載荷的施加  本設備的公稱壓力是 2000KN，但由于實際應用中載荷并不是由零緩慢增加，在沖壓工件時 具有一定的加速度，機身實際上受到的是動荷作用，故應在靜載荷上乘以一個動荷系數(shù) 1.20，即 2400KN。分析其應力和變形時，取其公稱壓力為機身的外載荷。機身在工作時承受兩個方向的載荷，一個是作用在曲軸支撐孔上，方向向上；另一個是作用在工作臺上，方向向下。兩者大小相等，方向相反。工作臺上的載荷是均布載荷的形式作用于機身上，二軸承孔上的載荷是通過加載到半軸上的載荷通過接觸的設置，間接傳遞到軸承孔上，這樣能夠真實地反應軸承孔的受力。  2）工作臺及曲軸支撐孔上載荷的處理      工作臺上的壓力 KNF 2400 ，工作臺面積是 2085.2185.1761.1 mA 。由公式AFP / ，得工作臺所受壓力為 MPaP 15.1 。右側 曲軸支撐孔 受到向上的力KNF 6001 ， 21 7 4 6 1 2125.019.014.3 mmRLA 。利用余弦公式計算 支撐 孔的不均勻受力， M PayyAFP )s in (*16)s in (*/2 111 。中間兩個 曲軸支撐孔 受到向上的力 KNF 6002 ， 28 4 8 2 32 mmRLA ， MP ayPP )s in (*1.1432 。左側 曲軸支撐孔 受到向上的力 KNF 6004 ， 24 71667 mmA 。 M PayP )s in (*7.164 。 在 Workbench進行有限元分析時，將載荷按照計算結果施加在 曲軸支撐孔 ，看機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 機座的邊界約束條件是通過地腳螺釘與地面相連的全約束，即可近似模擬其實際位移狀態(tài)。外力載荷及邊界約束如圖 2.4 所示。    J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    11  圖 2.4  外力載荷及邊界約束  2.2.4 材料特性  機身為 QT600-3 和 HT300 鋼的板材焊接結構，在工作時其變形是彈性變形。材料特性常數(shù)包括：彈性模量、泊松比、密度，根據(jù)機械設計手冊， 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 計算結果分析  2.3.1 應力和變形要求  （ 1）   變形要求： 0.25mmxx ； 0.25m m yy ； mmzz 0.25 。  （ 2）   要求 :材料為球墨鑄鐵和灰鑄鐵，結構的破壞形式一般為塑性屈服。因而在強度分析中采用第三強度理論或第四強度理論。第三強度理論未考慮主應力 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。第四強度理論考慮了注意力 2 的影響，而且和實 驗較符合，與第三強度理論比較更接近實際情況。因而在強度評價中通常采用第四強度理論導出的等效應力e（又稱 Von Mises 等效應力）來評價。       第四強度的含義就是：在任何應力狀態(tài)下，材料部發(fā)生破壞的條件是：                                 e  J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    12         許用應力，    安全系數(shù) s      而e= )()()(21 213232221 其中： 1 ， 2 ，3第一，第二，第三主應力  由前可知，機身材料為 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. 而我們所要的應力要求是： MPa204  2.3.2 應力 和變形 圖形顯示  1） Von Mises 應力等值線圖 （單位： MPa，以下相同）   圖 2.5   應力等值線圖        J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    13 2） X 方向變形圖 （單位： mm，以下相同）   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     J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    14 4） Z 方向變形圖   圖 2.8  z 方向變形圖  5）總變形圖   圖 2.9  總變形圖     J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    15 2.3.3 應力分析  由 Von Mises 應力等值線圖可以看到，最大應力為 43.012MPa，最小應力很小，這么小的應力可以忽略不計。按第四強度理論 max 。其中 MPa204 這是前面已經(jīng)計算過了的 ， 應力滿足條件。  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： 0.25mmX X； 0.25m myy ； mmzz 0.25 。都是滿足要求的。  2.4  本章小結  本章主要內(nèi)容是詳細介紹在設計過程中的三維實體模型的建立，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模型進行分析并得出結論。  本章介紹了模型建立過程中的注意點以及簡化模型建立的原則，讓讀者能了解三維實體建模的整個過程。在有限元分析得出分析圖之后，通過 XYZ 三個方向的變形以及應力圖，來判斷所建模型是否滿足強度和剛度的要求，如果不滿足則需要改進機構，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，所以還要將應力集中問題考慮在內(nèi)。             J75G-200 閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計    16 第三章  機身結構的改進  3.1 優(yōu)化分析  一般來說，正規(guī)的設計方法，往往取決于各種因素的作用，提出一種初始方案，然后