JS-500精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2014年 6月 1日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 I 摘 要 有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等 ANSYS 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于降低制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。本文以 JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身作為研究對(duì)象， 運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS Workbench 對(duì) JS-500 精整壓力機(jī)進(jìn)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以主要內(nèi)容有： （ 1） 分析了解 JS-500 精整 壓力機(jī)工作狀態(tài)和性能。 （ 2） 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模。 （ 3） 分析曲軸的受力情況和強(qiáng)度校核，對(duì)其進(jìn)行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案。 （ 4） 劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身應(yīng)力分布規(guī)律和載荷對(duì)其工作性能的影響，并對(duì)機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 （ 5） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，求解其固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響 。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，靜態(tài)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，模態(tài)分析 II Abstract The application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the economic benefit is of great importance. Finishing press frame based on the JS - 500 as the research object, using the finite element analysis software ANSYS Workbench to JS - 500 sizing press has a structural static analysis, the structure optimization design to the main contents are: (1) The sizing press JS 500 is analysed, and its working state and performance. (2) The fuselage structure of 3 d entity modeling. (3) Analysis of crankshaft stress distribution and intensity, the analysis on the working load, boundary conditions and loading plan. (4) Mesh, finite element structural static analysis, the stress distribution and the fuselage and load on its working performance, and optimize the fuselage design. (5) For press freedom modal and constraint modal analysis, to solve the natural frequencies and corresponding vibration mode, dynamic parameters, such as analysis of its influence on working conditions. Finally, the paper research content is summarized and prospected. Keywords: press machine, finite element analysis, static analysis, optimization design, model analysis III 目 錄 摘 要 . I Abstract. II 目 錄 . III 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機(jī)的概述 . 1 1.2 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)的發(fā)展 . 1 1.3 課題來源 . 3 1.4 本課題研究的目的及意義 . 3 1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容 . 3 1.6 本章小結(jié) . 4 第二章 有限元方法及 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 . 5 2.1 有限元方法簡(jiǎn)介 . 5 2.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 . 6 2.3 ANSYS 模態(tài)功能介紹 . 7 2.4 有限元分析軟件 ANSYS Workbench 簡(jiǎn)介 . 7 2.5 本章小結(jié) . 8 第三章 壓力機(jī)機(jī)身靜態(tài)分析 . 9 3.1 機(jī)身靜力學(xué)分析過程簡(jiǎn)要流程 . 9 3.2 三維實(shí)體建模 . 9 3.3 有限元模型的建立 . 10 3.4 制定分析方案 . 11 3.4.1 考慮的因素 . 11 3.4.2 單元類型 . 12 3.4.3 網(wǎng)格劃分 . 12 3.4.4 接觸設(shè)置 . 13 IV 3.4.5 施加邊界條件 . 14 3.5 計(jì)算結(jié)果分析 . 15 3.5.1 應(yīng)力和變形要求 . 15 3.5.2 結(jié)果分析 . 17 3.5.3 應(yīng)力分析 . 19 3.5.4 變形分析 . 19 3.6 本章小結(jié) . 19 第四章 機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn) . 21 4.1 優(yōu)化分析 . 21 4.2 優(yōu)化方案一 . 21 4.3 優(yōu)化方案二 . 24 4.4 優(yōu)化方案三 . 27 4.5 優(yōu)化方案四 . 30 4.6 選擇最佳優(yōu)化方案 . 33 4.7 本章小結(jié) . 33 第五章 機(jī)身的模態(tài)分析 . 34 5.1 模態(tài)分析概述 . 34 5.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) . 34 5.1.2 模態(tài)分析原理 . 34 5.2 對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析 . 35 5.2.1 自由模態(tài)描述分析 . 35 5.2.2 約束模態(tài)描述分析 . 37 5.3 本章小結(jié) . 43 第六章 結(jié)論和展望 . 45 6.1 總結(jié) . 45 6.2 展望 . 45 致謝 . 47 V 參考文獻(xiàn) . 48 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 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 壓力機(jī)的概述 壓力機(jī)是一種通用性設(shè)備，可以廣泛的應(yīng)用于粉末、陶瓷 、橡膠、磁材、金屬、復(fù)合材料等的壓力成型以及各種機(jī)械、汽車裝配線上零部件的壓裝等工作。 但長(zhǎng)期以來我國(guó)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平比較低，存在著其壓力、位置等參數(shù)的控制基本上還是手動(dòng)或模擬量的調(diào)整，自動(dòng)化水平低，壓機(jī)間及壓機(jī)與上位機(jī)間無法進(jìn)行通訊，液壓回路控制簡(jiǎn)單，床身結(jié)構(gòu)為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)等缺點(diǎn)，無法滿足高精度壓裝制造業(yè)的需求，與金屬切削設(shè)備相比，其伺服化、數(shù)字化的開發(fā)進(jìn)程落后數(shù)十年。特別是近年來，我國(guó)汽車工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，從而帶動(dòng)著整個(gè)制造業(yè)的振興，而在各種汽車零部件的制造和裝配過程中離不開壓力機(jī)械的使用， 壓力機(jī)的市場(chǎng)需求在逐年增加，同時(shí)舊的壓力機(jī)也隨著產(chǎn)品技術(shù)要求的提高而需要更新。 因此，該機(jī)的研制成功與大量使用對(duì)于提高壓裝質(zhì)量及降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度將起到重要的作用。也必將對(duì)于提升我國(guó)壓力機(jī)的裝備水平及至整個(gè)國(guó)民制造業(yè)有著深遠(yuǎn)的意義 1。 機(jī)械壓力機(jī)是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的鍛壓設(shè)備。能進(jìn)行各種沖壓工藝以直接生成半成品或成品2。在所有的鍛壓設(shè)備中，機(jī)械壓力機(jī)所占比例高達(dá) 80%以上 3。 精整壓力機(jī)是一種精密、高速、高效的精密整形拉深壓力機(jī)，設(shè)備采 用六連桿機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使該設(shè)備既具有類似于液壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性曲線，又具有較快的行程次數(shù) 4。 1.2 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)的發(fā)展 目前我國(guó)壓力機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)至今大多沿用經(jīng)驗(yàn)、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的床身不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速度、精度提不高，而且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國(guó)產(chǎn)壓力機(jī)在高檔次壓力機(jī)領(lǐng)域內(nèi)無法與國(guó)外壓力機(jī)相抗衡。隨著中國(guó)加入 WTO，中國(guó)的機(jī)床制造企業(yè)的形勢(shì)將變得更加嚴(yán)峻，并面臨更為強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，為此，中國(guó)的壓力機(jī)制造企業(yè)必須改變?cè)械膫鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造手段作 為技術(shù)支撐，來提高我國(guó)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平，在新 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 2 的市場(chǎng)環(huán)境中積極參與競(jìng)爭(zhēng)。隨著 CAD/CAM/CAE 技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，有限元方法等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法已為工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員廣為認(rèn)識(shí)和發(fā)展，在機(jī)床設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益 5。 自改革開放以來，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)得到了穩(wěn)定高速的發(fā)展，液壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用在冶金、工業(yè)設(shè)備、汽車、工程機(jī)械、船舶、飛機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域 6。 近年來，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)廠家都把精力集中在開發(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) 7。 目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù) 使用的壓力機(jī)一般都采用不可調(diào)速的交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方式需要一整套的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需要的直線往返運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了減小電動(dòng)機(jī)的功率，還在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，這種傳動(dòng)系統(tǒng)成本較低，但是體積笨重，變速難度大 8。 國(guó)外對(duì)于壓力機(jī)的機(jī)身也有大量的研究，德國(guó)的 Neuman M.和 Hahn.H 建立了機(jī)械壓力機(jī)的三種不同復(fù)雜程度的工程模型，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證模型的參數(shù)，從而對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。丹麥的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim設(shè)計(jì)了一種壓力機(jī)實(shí)驗(yàn) 來確定了壓力機(jī)的六個(gè)剛度，從而為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了有益的幫助 9。日本作為世界上資源最稀缺并且消耗最大的國(guó)家之一，他們的工程技術(shù)人員對(duì)節(jié)能技術(shù)的研究一直處于世界先進(jìn)水平。作為日本非常有影響力的企業(yè)，口本第一電氣株式會(huì)社從 20 世紀(jì) 80 年代末就開始對(duì)直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究，取得了一系列的研究成果，己經(jīng)在開始在工程設(shè)備中使用 10。 目前世界鍛壓設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是 :集機(jī)械、電子、液壓、氣動(dòng)及檢測(cè)等方面的最新技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度高、換?？焖?、工作可靠、噪聲低、防護(hù)完善、精度高。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 3 近年來又發(fā)展了數(shù)控系統(tǒng)，能和電 子機(jī)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)換模系統(tǒng)及自動(dòng)倉儲(chǔ)等相結(jié)合，構(gòu)成多種系列的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)，并向現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)方向發(fā)展 11。 1.3 課題來源 本課題來源于揚(yáng)州捷邁鍛壓機(jī)械有限公司。 JS-500 精整 壓力機(jī)為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)半開、半閉式壓力機(jī)， JS-500 精整 壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品 ,專門用于鍛壓汽車零部件而生產(chǎn)的，適于薄板的沖載、成形、彎曲、校正、拉深和整形等各種冷沖壓工藝。要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)，對(duì) JS-500 精整 壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ,為提高壓力機(jī)產(chǎn)品 的性能，質(zhì)量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)，增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 1.4 本課題研究的目的及意義 近年來，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)特別是開式壓力機(jī)的需求越來越多，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)廠家都把精力集中在開發(fā)高速度，高精度的壓力機(jī)上，研究的方向不但在壓力機(jī)機(jī)身上，而且已轉(zhuǎn)移到整個(gè)壓力機(jī)裝配上，在研究的手段上不但是計(jì)算機(jī)仿真，而且應(yīng)用了許多有效的實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置。我國(guó)壓力機(jī)的分析水平還不高，對(duì)機(jī)身的有限元分析很多都局限于靜態(tài)分析，而從動(dòng)態(tài)方面來研究做得很少 。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)床技術(shù)的結(jié)合，強(qiáng)烈要求分析設(shè)計(jì)內(nèi)容完善化、目標(biāo)最優(yōu)化、過程動(dòng)態(tài)化、使機(jī)床加工高速化、加工過程自動(dòng)化和柔性化。并且具有可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。只有這樣才能提高我國(guó)機(jī)床的產(chǎn)品質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)名族工業(yè)的生產(chǎn)。 1.5 本課題的研究?jī)?nèi)容 （ 1）前期準(zhǔn)備： 收集相關(guān)資料，查閱中外文獻(xiàn)、請(qǐng)教老師和同學(xué)討論。 學(xué)習(xí)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(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 （ 2）對(duì) JS-500 精整壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模； （ 3）了解 JS-500 精 整壓力機(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 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 4 （ 4）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； （ 5）根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域采取措施改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，改變相關(guān)尺寸變量，以達(dá)到減輕部件總體質(zhì)量的目的。重新進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)改變尺寸后的剛度和強(qiáng)度。重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直到獲取最佳方案。 （ 6）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。 1.6 本章小結(jié) 本章 主要介紹了課題的研究背景，課題來源，研究目的和要求。這章內(nèi)容是論文的重要組成部分，是本論文寫作的背景來源。這需要我們?cè)谧霎厴I(yè)設(shè)計(jì)之前首先去閱讀并加以理解，然后貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 5 第二章 有限元方法及 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 2.1 有限元方法簡(jiǎn)介 有限元法 (Finite Element Method)簡(jiǎn)稱 FEM，產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 40 年代。此前，工程中解微分方程的數(shù)值方法主要是差分法。由于航空工業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，以減輕質(zhì)量、提高強(qiáng)度等，這就推動(dòng)了結(jié)構(gòu)力學(xué) 的發(fā)展，出現(xiàn)了矩陣力學(xué)分析方法。 R.W.Clough (1960 年 )在分析彈性力學(xué)問題時(shí)首次提出有限元方法的名稱。馮康等 (1964 年 )也提出了類似的有限元方法及變分原理。此后，有很多的工程師在土木工程、機(jī)械工程等各個(gè)領(lǐng)域嘗試采用有限元方法分析彈性力學(xué)問題、流體力學(xué)問題、傳熱問題等，推動(dòng)了有限方法的蓬勃發(fā)展。 1967 年，ZienkiewiczOC 和 Cheung 最早出版了有限元分析的專著。 1972 年， J.T.Oden 出版了非線性連續(xù)體的有限元專著。有限元方法的出現(xiàn)，不但使過去想分析而無法分析的問題得到很好的解決 ，也使各類問題計(jì)算結(jié)果的精度大大提高，同時(shí)引發(fā)了計(jì)算數(shù)學(xué)的革命，帶動(dòng)了其他學(xué)科的發(fā)展。據(jù)估計(jì)，目前國(guó)際上，有 90%以上的機(jī)械類產(chǎn)品、土木工程結(jié)構(gòu)要采用有限元分析方法進(jìn)行分析，有 70%的科技文獻(xiàn)中會(huì)采用有限元作為分析工具 12。 李明典等用有限元法分析了錘桿在對(duì)中和偏心載荷作用下應(yīng)力沿錘桿的分布，探討了不同偏心、加速度和材質(zhì)對(duì)錘桿動(dòng)應(yīng)力分布的影響，為錘桿的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有用的理論依據(jù) 13。土俊領(lǐng)通過對(duì)軋機(jī)機(jī)架的有限元分析，找出了危險(xiǎn)點(diǎn)的位置，確定了極限安全系數(shù) 14。土蘇安等針對(duì)某廠 25 噸曲柄連桿式吃剪 機(jī)機(jī)架使用中存在的問題，采用 ALGOR 軟件對(duì)吃剪機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析和強(qiáng)度研究，得出了吃剪機(jī)機(jī)架的應(yīng)力、應(yīng)變分布，找出了薄弱環(huán)節(jié)，并應(yīng)用電阻應(yīng)變儀在現(xiàn)場(chǎng)作了多點(diǎn)測(cè)試，其理論值和實(shí)際測(cè)試值吻合較好。并對(duì)吃剪機(jī)架提出了改進(jìn)措施，對(duì)改進(jìn)后的機(jī)架又進(jìn)行了有限元分析。實(shí)踐證明通過改進(jìn)的曲柄連桿式吃剪機(jī)架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型雙盤摩擦壓力機(jī)為例，較為全面地分析了中心載荷、扭轉(zhuǎn)載荷和偏心載荷對(duì)機(jī)身強(qiáng)度和剛度的影響，提出了允許偏載域的概念及一些解決問題的方法與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 16。史寶軍、管延 錦等對(duì)壓力機(jī)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了研究，并結(jié)合機(jī)身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別采用了許多措施，使機(jī)身的結(jié)構(gòu)更合理 1718。史寶軍等主要對(duì) J21-160 型開式壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)選，取得了既減 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 6 輕重量又提高強(qiáng)度、剛度的顯著效果。這說明鍛壓機(jī)械的有限元分析已從原來的應(yīng)力和變形分析走向結(jié)構(gòu)的靜態(tài)優(yōu)化 19。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上計(jì)算機(jī)輔助工程行業(yè)中最大公司之一 ANSYS 公司開發(fā) 20。 2.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 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法解決的復(fù)雜問題。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)而沒有被重視。直到 60年代有限元法才發(fā)展起來，是計(jì)算機(jī)的產(chǎn)物。美國(guó)克勞夫教授運(yùn)用三角形單元對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，并在 1960年首次提出了 “ 有限單元法 ” 這一名稱 21。我國(guó)的馮康教授在 1956年中發(fā)表的論文中也提到了有限單元法。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。 隨著電子計(jì)算 機(jī)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(fèi)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(diǎn)輸入結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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(jī)對(duì)話環(huán)境和在計(jì)算結(jié)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(gè)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(jì)算機(jī)圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 22。 通過對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析后，對(duì)強(qiáng)度、剛度相對(duì)薄弱的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn) 23。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 7 隨著計(jì)算機(jī)與有限 元軟件的發(fā)展，用有限元法對(duì)零部件進(jìn)行受力分析校核逐漸取代了原有的經(jīng)典材料力學(xué)的危險(xiǎn)截面計(jì)算法。通過測(cè)試證明，有限元法計(jì)算結(jié)果誤差更小，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供更為可靠的參考依據(jù)。近兩年來，采用有限元分析法對(duì)機(jī)床在設(shè)計(jì)開發(fā)階段的關(guān)鍵零部件進(jìn)行及時(shí)分析校核，為零部件的反復(fù)優(yōu)化改型設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)，使機(jī)床在生產(chǎn)加工前，其零部件強(qiáng)度和剛度己經(jīng)有了較好的控制，極大減少了返工率 24。 有限元方法的一些發(fā)展趨勢(shì)： 1.與 CAD 軟件的無縫集成 2.更強(qiáng)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(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題求解 5.程序面向用戶具有開放性 25。 2.3 ANSYS 模態(tài)功能介紹 ANSYS 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。包括參數(shù)定義、實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分。 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。在次階段，我們進(jìn)行 分析類型定義、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項(xiàng)。 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)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(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如 PC， SGI， HP，SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 2.4 有限元分析軟件 ANSYS Workbench簡(jiǎn)介 軟件接口 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共 ANSYS 軟件 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó) ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 享和交換，如 Pro/Engineer, I DEAS, AutoCAD 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 8 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAE 工具之一。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中 CAE軟件 的異構(gòu)問題。面對(duì)制造業(yè)信息化大潮、 仿真軟件 的百家爭(zhēng)鳴雙刃劍、企業(yè)智力資產(chǎn)的保留等各種工業(yè)需求， ANSYS 公司提出的觀點(diǎn)是：保持 核心技術(shù) 多樣化的同時(shí)，建立協(xié)同仿真環(huán)境。 與傳統(tǒng) ANSYS 對(duì)比， Workbench 與其主要功能大致相同，有以下幾點(diǎn)： 1）結(jié)構(gòu)分析。用于分析結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、應(yīng)變 和反力等。結(jié)構(gòu)分析包括靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析。 2）熱分析。熱分析通過模擬熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種熱傳遞方式，已確定物體的溫度分布?？梢赃M(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析，可以進(jìn)行線性和非線性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過程。 2.5 本章小結(jié) 對(duì)本設(shè)計(jì)過程所需要的理論依據(jù)，工具等作了簡(jiǎn)單介紹，詳細(xì)的請(qǐng)讀者參閱有關(guān)參考文獻(xiàn)。貫穿設(shè)計(jì)過程中的思想是有限元法，在設(shè)計(jì)的后半部分，還要用到優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其中，將有限元法應(yīng)用到實(shí)際中去需要借助有限元分析軟件 ANSYS Workbench，它是必不可少的工具。 所以，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過 程中一定要選對(duì)研究方法和研究工具，掌握研究對(duì)象特點(diǎn)，這樣才能在設(shè)計(jì)過程中有條不紊地完成每一個(gè)部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，最終順利完成設(shè)計(jì)內(nèi)容，交出一份高質(zhì)量的設(shè)計(jì)報(bào)告。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 9 第三章 壓力機(jī)機(jī)身靜態(tài)分析 3.1 機(jī)身靜力學(xué)分析過程簡(jiǎn)要流程 3.2 三維實(shí)體建模 SolidWorks 軟件采用了特征建模技術(shù)和設(shè)計(jì)過程的全相關(guān)技術(shù)，是目前領(lǐng)先的、主流的三 維 CAD 軟件。它具有配置管理、協(xié)同工作、零件建模、裝配設(shè)計(jì)、全相關(guān)工程圖、鈑金設(shè)計(jì)、有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真等 多項(xiàng)功能， 它為廣大用戶提供了多種多樣的設(shè)計(jì)過程專用工具。對(duì)于焊件設(shè)計(jì)，可以使用直 觀的布局方法來迅速獲取設(shè)計(jì)意圖。通過利用焊縫、角撐板、頂蓋和切割清單，迅速完成焊件設(shè)計(jì)和文檔。它還包含功能強(qiáng)大的鈑金工具，用于在折疊或展開狀態(tài)創(chuàng)建高級(jí)鈑金設(shè)計(jì)。該模塊自動(dòng)應(yīng)用所有鈑金特性（如金屬厚 度、折彎半徑和折彎釋放槽），并自動(dòng)完成法蘭、切口、放樣的折彎、展開、正交切除、角切除、正交處理、褶邊、 轉(zhuǎn)折等的創(chuàng)建過程。借助 SolidWorks 軟件，用戶可以靈活地在一個(gè)文檔中創(chuàng)建零件、裝配體和工程圖的多個(gè)版本， 由此最大程 度地提供重用機(jī)會(huì)。 實(shí)體模型是在 Solidworks 中建立的，因?yàn)楸救苏J(rèn)為 Solidworks 建模方便快捷，而且可以利用 ANSYS Workbench 與 Solidworks 的接口技術(shù)快速得將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 進(jìn)行分析。 機(jī)身由前、中、后三塊板，左、右側(cè)兩塊板，以及一個(gè)工作臺(tái)組成。其中，前對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要簡(jiǎn)化，用 Solidworks 軟件對(duì)機(jī)身進(jìn)行實(shí)體建模 。 將模型導(dǎo)入到 ANSYS Workbench 軟件中，進(jìn)行有限元分析。 對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行觀察與總結(jié)，以便后續(xù)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 10 面的板上有一半徑 340 的上半圓孔和半徑 310 的下半圓孔，中間板上有一 380的孔，并與半徑 340 的半圓孔是同心的，用來支撐壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的曲軸。 建模時(shí)，必須對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行改造。壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 不可能將所有復(fù)雜因素都考慮在內(nèi)，不可能使有限元模型的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣完全與事實(shí)相符。 簡(jiǎn)化建模的原則為，在盡量保留重要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將不影響分析的結(jié)構(gòu)去除，并且不考慮倒角、圓角、凸臺(tái)、螺釘孔等結(jié)構(gòu)。 機(jī)身是壓力機(jī)的一個(gè)基本支撐部件，工作時(shí)要承受全部工作變形力。因此，機(jī)身的合理設(shè)計(jì)對(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)，都具有直接的影響。機(jī)身分為兩大類：即開式機(jī)身和閉式機(jī)身。機(jī)身結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種。 JS500 壓力機(jī)機(jī)身為半開半閉的焊接加螺栓結(jié)構(gòu)，左右基本對(duì)稱。 JS500 的主要技術(shù) 規(guī)格如下 型 號(hào) : JS-500； 公 稱 壓 力 : 5000KN； 公稱壓行程： 8mm； 滑塊行程長(zhǎng)度： 300mm； 滑塊行程次數(shù)： 30； 工件臺(tái)面尺寸： 前后方向 1100； 左右方向 1200； 工件臺(tái)面板厚： 200； 機(jī)身材料是 Q235A，密度 37800 mkg ； 3.3 有限元模型的建立 為了進(jìn)行有限元分析，必須對(duì)于實(shí)體模型進(jìn)行改造，使之成為很多微小的單元和節(jié)點(diǎn)的組合，這樣的模型稱為有限元模型。其建立包括定義單元屬性，劃分網(wǎng)格生成單元以及添加邊界條件 等步驟。 簡(jiǎn)化時(shí)，應(yīng)根據(jù)分析類型，只考慮一些起主導(dǎo)作用的因素來建立機(jī)身的簡(jiǎn)化模型，因此對(duì)于某些結(jié)構(gòu)凸臺(tái)、螺釘孔、銷孔、圓角等予以忽略。主板和主墊板、隔板、拖動(dòng)架、滑塊之間用螺栓連接，可視為一個(gè)整體。簡(jiǎn)化后機(jī)身實(shí)體幾何模型如圖 3-1 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 11 所示。 圖 3-1 壓力機(jī)實(shí)體模型 總體積為 3.5484 3m ，總重量為 27677kg。 3.4 制定分析方案 3.4.1 考慮的因素 主要包括： 1) 幾何模型對(duì)稱性：考察結(jié)構(gòu)是否具有對(duì)稱、反對(duì)稱、軸對(duì)稱的特性，以縮減分析模型的規(guī)模。 2) 幾何 模型細(xì)節(jié)：結(jié)合分析領(lǐng)域和問題的類型，考慮幾何模型的細(xì)節(jié)是否可做簡(jiǎn)化處理，如模型的小孔、倒角、小的突起等。 3) 問題定性：確定分析問題是線性還是非線性問題，如果是非線性問題，進(jìn)一步確定是哪一類非線性，如幾何非線性、材料非線性還是接觸非線性。 4) 單元類型：依據(jù)涉及的物理場(chǎng)、模型的形狀、單元的階次、求解的時(shí)間等因素來選定合適的單元類型。 5) 網(wǎng)格劃分 :需要在耗費(fèi)工時(shí)、計(jì)算規(guī)模和求解精度之間綜合衡量，從而選定合理的網(wǎng)格劃分方式和網(wǎng)格密度。 6) 載荷：考察選擇哪一類型載荷和加載方式能與實(shí)際工況盡可能地等效，載荷施加盡量不做簡(jiǎn)化處理 。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 12 7) 求解器：結(jié)合分析問題類型、硬件資源 、 求解時(shí)間和精度，選擇最優(yōu)的求解算法。 3.4.2 單元類型 根據(jù)對(duì)本課題的分析及研究，確定壓力機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析屬于結(jié)構(gòu)分析中的靜力分析問題。幾何模型結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，是左右對(duì)稱的。由于壓力機(jī)模型是從外部導(dǎo)入產(chǎn)生的，因此，幾何模型細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化處理已經(jīng)考慮過了。 三維實(shí)體是由帶有二次狀態(tài)方程的高階四面體或六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分的。在這里選擇的是四面體實(shí)體單元 Solid92，如圖 3-2。該單元有 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度， 單元具有塑性、膨脹性、應(yīng)力剛化、大變形以及大 應(yīng)變的能力。 圖 3-2 Solid92 單元 3.4.3 網(wǎng)格劃分 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 40mm，精度為 100，畸變度選擇 0.3。網(wǎng)格劃分后共產(chǎn)生 84456 個(gè)單元， 155317 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，或者在某些情況無結(jié)果 。 有很多方法來檢查單元網(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 (無法接受的 ) 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 13 之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機(jī)身如圖 3-3 所示。 圖 3-3 機(jī)身網(wǎng)格劃分 3.4.4 接觸設(shè)置 壓力機(jī)軸承孔與滑動(dòng)軸承外圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是接觸問題，接觸問題需要定義接觸對(duì)，在壓力機(jī)身有限元分析中存在兩個(gè)軸承孔，因此需要定義兩個(gè)接觸對(duì)。在分析之前，要先在每個(gè)軸承孔內(nèi)分別建一個(gè)半軸。建一半的軸就可以了，原因是既不影響分析，又方便添加載荷。設(shè)置接觸對(duì)的壓力機(jī)機(jī)身如圖 3-4 所示。 圖 3-4 接觸對(duì)設(shè)置 在兩個(gè)表面的接觸問題中，一個(gè)面一般被作為 “ 目標(biāo)面 ” 來建立，另一個(gè)作為 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 14 “ 接觸面 ” 。對(duì)于一個(gè)固定，一個(gè)滑動(dòng)的接觸來說，目標(biāo)面是固定的，接觸面是滑動(dòng)的；對(duì)于兩個(gè)都滑動(dòng)的接觸來說，接觸面和目標(biāo)面都與變形體相聯(lián)系。這兩個(gè)面一起被稱為 “ 接觸對(duì) ” 。 Workbench中提供了五種接觸類型，單從字面上很難理解這幾種接觸的區(qū)別，下面對(duì)其中兩種常用接觸類型加以解釋。 Bonded(綁定 )。這是關(guān)于接觸的默認(rèn)設(shè)置。如果接觸區(qū)域設(shè)置為綁定，不允許面和線間間有相對(duì)滑動(dòng)或分離?？梢詫⒋藚^(qū)域看作被連在一起。因?yàn)榻佑|長(zhǎng)度 /面積是保持不變的，所以這種接觸可以用作線性求解。如果接觸是從數(shù)學(xué)模型中設(shè)定的，程序?qū)⑻畛渌械拈g隙，忽略所有初始滲透。 No Separation（不分離）。這種接觸方式和綁定類似。它只適用于面。不允許接觸區(qū)域的面分離，但是沿著接觸面可以有小的無摩擦滑動(dòng)。 在這里選擇 TARGE169和 CONTA171接觸對(duì)。由于軸承與軸承孔之間的接觸可能存在小的相對(duì)滑動(dòng)，所以選 擇 “ No Separation” 類型。其他的幾個(gè)接觸要求沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，效果相當(dāng)于固連起來的，所以選擇 “ Bonded” 類型。 3.4.5 施加邊界條件 （ 1）載荷的施加 壓力機(jī)的公稱壓力是 5000KN，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)在靜載荷上乘以一個(gè)動(dòng)荷系數(shù) 1.20，即 6000KN。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加載到半軸上的載荷通過接觸的設(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)及液壓缸上載荷的處理 工作臺(tái)上的載荷按均布載荷處理，其大小計(jì)算如下： P=F*1.2/A 其中： F公稱壓力 A受力面積 6000KN 的動(dòng)載荷平均分布在工作臺(tái)上，則 P=5000KN*1.2/（ 1100mm*1200mm） 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 15 =4.55MPa 前面板上的軸承孔由于軸的作用受到 向上的力 F1=3000KN，力施加在軸的左端，A= *340*60，因此前面的軸承孔受到壓力為 P1=46.8MPa。同理，中間板上的軸承孔受到壓力為 P2=10.5MPa。 （ 3） 約束條件 JS-500精整壓力機(jī)機(jī)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(shí)際位移狀態(tài)，圖 3-6反映了 ANSYS Workbench中施加外力載荷和進(jìn)行邊界約束。 如圖 3-5所示。 圖 3-5 施加約束 3.5 計(jì)算結(jié)果分析 3.5.1 應(yīng)力和變形要求 （ 1） 變形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2） 應(yīng)力要求：材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的失效形式為屈服失效。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)度理可以較為滿意地解釋塑性材料的屈服現(xiàn)象，例如低碳鋼拉伸屈服時(shí)，沿著與軸線成 45 度方向出現(xiàn)滑移線，而這一方向斜面上的切應(yīng)力也是最大。由于這一理論形式簡(jiǎn)單，概念明確，且計(jì)算結(jié)果偏于安全，故在工程中廣泛應(yīng)用。但是這一強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力 2 對(duì)屈服的影響。第四強(qiáng)度理論認(rèn)為形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即認(rèn)為無論在什么應(yīng)力狀態(tài)， 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 16 只要形狀改變比能 dv 達(dá)到某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸屈服時(shí)其屈服應(yīng)力為s，相應(yīng)的形狀改變比能由式 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 3d vv E （ 3-1） 求出為（ 1+） s2/(3E)，這即為形狀改變比能的極限值。于是屈服判據(jù)為 216dsv E （ 3-2） 在任意應(yīng)力狀態(tài)下，形狀改變比能為 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 6d vv E （ 3-3） 代入前式可得以主應(yīng)力表示的屈服判據(jù) 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 s （ 3-4） 相應(yīng)的強(qiáng)度條件為 2 2 21 2 2 3 3 11 ( ) ( ) ( ) 2 （ 3-5） 一些試驗(yàn)表明 ，這一強(qiáng)度理論可以較好的解釋和判斷材料的屈服。由于全面考慮了三個(gè)主應(yīng)力的影響，所以比較合理，它比最大切應(yīng)力理論更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在這里本人選擇用第四強(qiáng)度理論。機(jī)身材料為 Q235，s=235MPa?？紤]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，則 =s/安全系數(shù)=235/1.47=160MPa 所以有限元分析得出的結(jié)構(gòu)要求最大應(yīng)力必須小于許用應(yīng)力 =160MPa。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 17 3.5.2 結(jié)果分析 1） Von Mises應(yīng)力等值線圖（單位： MPa以下相同） 圖 3-6 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 2） X 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-7 X 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 18 3） Y 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-8 Y 方向變形圖 4） Z 方向變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-9 Z 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 19 5） 總變形圖（單位： mm 以下相同） 圖 3-10 總變形圖 3.5.3 應(yīng)力分析 由 Von Mises 應(yīng)力等值線圖可以看到，最大應(yīng)力為 136.14MPa，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 =160MPa 這是前面已經(jīng)計(jì)算過了的，應(yīng)力滿足條件。 3.5.4 變形分析 由變形圖可以看到最大變形量是 1.252mm， X 方向的最大變形量是 0.13675mm，Y 方向的最大變形量是 0.84708mm， Z 方向的最大變形量是 1.2415mm。最小變形量是 0mm。變形要求 : mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。由數(shù)據(jù)可以看出，顯然是不滿足要求的。 3.6 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是詳細(xì)介紹在設(shè)計(jì)過程中的三維實(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，接觸的設(shè)置以及用分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析并得出結(jié)論。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 20 本章介紹了模型建立過程中的注意點(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)過程。在有限元分析得出分析圖之后，通過 XYZ 三個(gè)方向的變形以及應(yīng)力圖，來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)力集中問題考慮在內(nèi)。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 21 第四章 機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn) 4.1 優(yōu)化分析 一般來說，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： 160MPa。變形： x1mm y1mm z1mm。 4.2 優(yōu)化方案一 由圖所示， Y、 Z 方向變形比較大， X 方向變形比較小。所以針對(duì) Y、 Z 方形變形，在中間板的圓柱凸臺(tái)上加上四根加強(qiáng)筋，以減小其方向上的變形。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-1 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 22 2） X 方向變形圖 圖 4-2 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-3Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 23 4） Z 方向變形圖 圖 4-4 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-5 總變形圖 優(yōu)化方案一的最大應(yīng)力為 137.33MPa， Y 方向的變形減小了 0.30253mm， Z 方向的變形減小了 0.1319mm， X 方向的變形略微減 小。但變形量依舊過大，不符合要求。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 24 4.3 優(yōu)化方案二 根據(jù) Z 方向的變形過大的問題，所以減小中間板上凸圓的長(zhǎng)度至 300mm，同時(shí)加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度也隨之減小到 230mm。以此達(dá)到減小 Z 方向變形量過大的目的。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-6 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 25 2） X 方向變形圖 圖 4-7 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-8 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 26 4） Z 方向變形圖 圖 4-9 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-10 總變形圖 通過優(yōu)化 Z 方向的變形明顯變小 ，最大為 0.74213mm。壓力機(jī)的總變形小于1mm，該壓力機(jī)合格。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 27 4.4 優(yōu)化方案三 由方案二可知，在明顯確保壓力機(jī)合格的前提下，可以看出前板的厚度偏厚，浪費(fèi)的材料?？紤]到材料的節(jié)省問題，將 120mm的前板改為 80mm，再在其后加強(qiáng)小塊厚 60mm的板塊。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-11 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 28 2） X 方向變形圖 圖 4-12 X 方向變形圖 3） Y 方向變形圖 圖 4-13 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 29 4） Z 方向變形圖 圖 4-14 Z 方向變形圖 5） 總變 形圖 圖 4-15 總變形圖 雖然變形量略微變大，但仍在合理范圍內(nèi)。而在保證了壓力機(jī)合格條件的同時(shí)， 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 30 質(zhì)量減小到 25912kg，大大的節(jié)省了材料。 4.5 優(yōu)化方案四 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。所以，減小底座的面積，進(jìn)一步的減少材料。 1） Von Mises 應(yīng)力等值線圖 圖 4-16 Von Mises 應(yīng)力等值線圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 31 2） X 方向變形圖 圖 4-17 X 方向變形圖 5） Y 方向變形圖 圖 4-18 Y 方向變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 32 4） Z 方向變形圖 圖 4-19 Z 方向變形圖 5） 總變形圖 圖 4-20 總變形圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 33 方案四的最大變形量為 0.98281mm，仍然滿足最大變形量小于 1mm 的條件。并且最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力。同時(shí)最大程度的減小了質(zhì)量，節(jié)省了材料。 4.6 選擇最佳優(yōu)化方案 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 4-1 所示。 表 4-1 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 137.33 1.228 -125 優(yōu)化方案二 137.82 0.7576 183 優(yōu)化方案三 134.19 0.89737 1765 優(yōu)化方案四 55.217 0.98281 2108 經(jīng)過比較得知，方案四節(jié)省的材料最多，而且應(yīng)力應(yīng)變也在合理范圍內(nèi)，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)化方案三的應(yīng)力和變形也是符合條件的，但是卻沒有達(dá)到節(jié)材料的目的。由于在計(jì)算軸承孔受力的時(shí)候，已經(jīng)考慮考了動(dòng)載荷系數(shù)和安全系數(shù)，所以只要應(yīng)力和應(yīng)變滿足許用條件即可，因而從降低成本的角度考慮，選擇優(yōu)化方案四。 4.7 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 , 但總體較小 , 而應(yīng)力比原來的有所降低 , 更有利于應(yīng)力場(chǎng)的均勻化 。 改進(jìn)后的箱體重量降低 2108kg?？梢暂^大地降低成本 , 大大提高經(jīng)濟(jì)效益。 優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中最重要的是要掌握設(shè)計(jì)方法，不僅能提高效率，而且可以設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品。 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 34 第五章 機(jī)身的模態(tài)分析 5.1 模態(tài)分析概述 5.1.1 模態(tài)分析理論基 礎(chǔ) 假設(shè)系統(tǒng)是線性、定常與穩(wěn)定的線性時(shí)不變系統(tǒng)。振動(dòng)系統(tǒng)從空間角度分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)，從時(shí)間角度分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)。研究步驟分為三步：建立結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)模型，即以質(zhì)量、阻尼、剛度為參數(shù)的關(guān)于位移的振動(dòng)微分方程；研究其特征值和特征矢量，得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)模型；通過研究受迫動(dòng)力響應(yīng)問題，可得到系統(tǒng)的非參數(shù)模型。 隨著壓力機(jī)工作速度的提高，其動(dòng)態(tài)性能和振動(dòng)問題的分析愈來愈重要。單純的靜態(tài)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已不能完全滿足工程實(shí)際的要求。模態(tài)分析通過確定多自由度系統(tǒng)的固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和 模態(tài)阻尼比等模態(tài)參數(shù)，可以預(yù)估它在工作狀態(tài)下的振動(dòng)情況，并且能夠發(fā)現(xiàn)過大的振動(dòng)、過高的噪聲等一些不正常的響應(yīng)。通過模態(tài)分析，可識(shí)別載荷的譜別和來源，找出有害的振型和節(jié)點(diǎn)位置，在此基礎(chǔ)上通過改變系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu) ,使系統(tǒng)按所要求的方向改變其動(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)到符合要求的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)剛度的要求。工程結(jié)構(gòu)要具有與使用環(huán)境相適應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性。一個(gè)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的基本著眼點(diǎn)不光是其強(qiáng)度、剛度方面的靜態(tài)特性，而且應(yīng)該注意彎曲和扭轉(zhuǎn)方面的動(dòng)態(tài)性能。如果機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性不能與其使用環(huán)境相適應(yīng)，即結(jié)構(gòu)模態(tài)與激勵(lì)頻率耦合會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生共 振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)機(jī)床發(fā)生抖振，機(jī)床噪聲過大，局部產(chǎn)生疲勞破壞等。 5.1.2 模態(tài)分析原理 將 線性定常微分方程 組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立 方程 ，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。坐標(biāo)變換的矩陣 為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)陣型。 模態(tài)分析 最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù) 。 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。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié) 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 35 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)合的方法來處理工程中的振動(dòng)問題。 5.2 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)身的共震響應(yīng)，需要對(duì)機(jī)身進(jìn)行自由模態(tài)分析。 5.2.1 自由模態(tài)描述分析 通過 ANSYS Workbench對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，由于該壓力機(jī)前六階為剛體模態(tài)，所以前六階的頻率幾乎為 0。圖 5-1 至圖 5-4 是機(jī)身 自由 模態(tài)分析的前十階振型 圖 。表 5-1 為其自由模態(tài)下振型變化。 圖 5-1 一階 自由 模態(tài) 振型 圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 36 圖 5-2 二階 自由 模態(tài) 振型 圖 圖 5-3 三階 自由 模態(tài) 振型 圖 周鵬 JS-500 精整壓力機(jī) 機(jī)身 結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) 37 圖 5-4 四階 自由 模態(tài) 振型 圖 表 5-1 自由 模態(tài) 下各階振型 階數(shù) 頻率（ Hz） 振型 一 階 37.524 機(jī)身沿 Y 軸扭動(dòng)，兩側(cè)板下部分 X 軸擺動(dòng) 二階 41.46 機(jī)身前后板和中間板的下部分沿 Z 軸擺動(dòng) 三階 42.141 機(jī)身沿 Y 軸扭動(dòng)，左右側(cè)板沿 X 軸擺動(dòng) 四階 56.843 機(jī)身左右側(cè)板和中間板沿 X 軸擺動(dòng)，后板沿 Y 軸扭動(dòng) 5.2.2 約束模態(tài)描述分析