本科生畢業(yè) 論文 畢業(yè)論文題目 630t 立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級 指 導(dǎo) 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 I 摘 要 本文主要是通過有限元分析軟件 ANSYS 對 630t 立式冷擠壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)分析，并根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果分析應(yīng)力分布和變形情況，來進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在對630t 立式冷擠壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時，將機(jī)身底面四個腳采用固定約束方法限制其 6 個自由度，并在加載區(qū)施加均布載荷，然后計算結(jié)果，分析機(jī)身整體應(yīng)力云圖和垂直 Z向整體變形圖，找到機(jī)身應(yīng)力集中區(qū)和薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)方案。 根據(jù)計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床身整體應(yīng)力不大，說明強(qiáng)度足夠，但是機(jī)床垂直方向變形量較大，導(dǎo)致加工精度較差。所以需要研究如何在降低機(jī)床變形量，提高加工精度的條件下， 同時減少材料以降低成本。針對該機(jī)身 結(jié)構(gòu)存在的問題，本文提出了十 種優(yōu)化方案，并把每個方案分別建模，導(dǎo)入有限元軟件 ANSYS，分析其強(qiáng)度和剛度，然后分析比較每個方案的計算結(jié)果，最終獲得最優(yōu)的改進(jìn)方案。該方案不僅可以明顯提高機(jī)身的剛度，達(dá)到了機(jī)床加工精度的使用要求，還減輕了床身的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞 630t冷擠壓壓力機(jī) ， 有限元 ， 靜態(tài)分析 ，改進(jìn)設(shè)計。 II Abstract This article is for 630t Vertical cold extrusion machine body static analysis by finite element analysis software ANSYS and static analysis based on the results of the stress distribution and deformation analysis , to improve , compare and choose the best solution . When cold extrusion machine to 630t Vertical fuselage structure is analyzed, the underside of the fuselage four feet fixed constraint method to limit its six degrees of freedoms, and impose uniform load in the load area, and then calculate the results, analysis Z stress cloud and down to the deformation maps, find body stress concentration zone and weaknesses, to improve the program. According to the results, it was found that the strength parameters is surplus , but the amount of deformation is large, the precision is not enough, so the next step is to ensure the accuracy in the conditions to minimize the material in order to reduce costs. The fuselage structure for the problem, this paper presents an optimization program ten, and the modeling of each program separately, importing finite element software ANSYS, static analysis of its strength and stiffness, and comparative analysis of the results of each program, eventually find the optimal improvement program, not only improves the precision of the body, reaching the machine requirements, but also reduce the mass and reduce the cost. Key words closed press, finite element method, static analysis, improvement designs III 目錄 摘要 . I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 本課題 研究概況 . 1 1.2 研究背景和來源 . 1 1.3 冷擠壓壓力機(jī)研究現(xiàn)狀 . 2 1.4 研究目的及意義 . 2 1.5 主要研究內(nèi)容 . 4 第二章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 . 5 2.1 ANSYS 軟件簡介 . 5 2.1.1 ANSYS 介紹 . 5 2.1.2 ANSYS 的主要技術(shù)特點 . 6 2.1.3 ANSYS 有限元求解的基本步驟 . 7 2.2 機(jī)身簡介 . 7 2.2.1 建立有限元模型 . 9 2.2.2單元類型 的選擇 . 9 2.2.3 網(wǎng)格劃分 . 10 2.2.4 邊界條件 . 11 2.2.5 材料特性 . 12 2.3 計算結(jié)果分析 . 12 2.3.1 機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變要求 . 12 2.3.2 原始模型整體應(yīng)力圖 . 13 2.3.3 原始模型 整體變形圖 . 錯誤 !未定義書簽。 4 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計 . 15 3.1 改進(jìn)方案一 . 15 IV 3.2 改進(jìn)方案二 . 17 3.3 改進(jìn)方案三 . 18 3.4 改進(jìn)方案四 . 20 3.5 改進(jìn)方案五 . 22 3.6 改進(jìn)方案六 . 24 3.7 改進(jìn)方案七 . 26 3.8 改進(jìn)方案八 . 28 3.9 改進(jìn)方案九 . 30 3.10 改進(jìn)方案十 . 32 3.11 最佳方案確定 . 35 3.12 總結(jié)與說明 . 36 第 四 章 結(jié)論與展望 . 37 4.1 結(jié)論 . 37 4.2 展望 . 37 致謝 . 38 參考文獻(xiàn) . 39 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 1 第一章 緒論 1.1 本課題研究概況 第一臺 2000KN PK 型肘桿式精壓機(jī)于 1933 年誕生于日本會田株式會社，到現(xiàn)在為止已經(jīng)生產(chǎn)超過 2000 多臺 PK系 列壓力機(jī) 9。 30年代，德國成功開發(fā)剛才的磷化處理工藝，為鋼制冷擠壓零件的成形創(chuàng)造了條件，并在 1955年就開始冷擠壓技術(shù)應(yīng)用于汽車鍛件的生產(chǎn) 9。 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對高精度、高效率壓力機(jī)的需求愈加迫切，日本 70年代就研發(fā)出 CFT系列多工位壓力機(jī)，和肘桿式 K型精壓機(jī)， 1988年研究出 FMX系列壓力機(jī)，同時日本小松研制出 L1C 系列和 L2C 系列冷鍛成形壓力機(jī)，這些壓力機(jī)精度高，操作簡單，直閉式機(jī)身堅固，變形小，滑塊調(diào)節(jié)量大，不需要潤滑的導(dǎo)軌，另外還有自動送料裝置和快速換膜裝置，生產(chǎn)效率高，適宜冷（溫 ）擠壓工藝 9。 現(xiàn)在美國又將具有 5 6工位的冷鍛機(jī)升級為“成形中心”，可以加工各種形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件。 世界正在發(fā)展溫冷擠壓復(fù)合成形工藝。美國的國民公司、德國的舒勒公司、日本的小松等均研發(fā)出整套冷溫鍛造工藝和生產(chǎn)線裝備 9。 上世紀(jì) 70年代開始，我國 開始將冷擠壓技術(shù)應(yīng)用到自行車、摩托車和汽車等鍛件的生產(chǎn)當(dāng)中，但是由于當(dāng)時沒有從根本上解決工藝，材料，自動化及后處理等技術(shù)問題，使得冷擠壓技術(shù)沒有得到快速發(fā)展 9。 80 年代隨著交通工具的發(fā)展， 冷擠壓設(shè)備技術(shù)的引進(jìn)，使得我國對冷擠壓設(shè)備的需求也越來越大 ，已經(jīng)掌握多工位冷鍛成形工藝，已經(jīng)可以用冷擠壓設(shè)備生 產(chǎn)表殼、自行車鍛件、精鍛齒輪、火花塞、汽車等速萬向節(jié)和照相機(jī)配件等等，已經(jīng)趕上國外先進(jìn)生產(chǎn)水平。 而中國 J88 型冷擠壓機(jī)拉力肘桿機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上曲柄擺桿機(jī)構(gòu)組成 9。由于兩套機(jī)構(gòu)均接近于下死點附近區(qū)域內(nèi)工作，所以，這種壓機(jī)滑塊的工作行程速度緩慢，有利于冷擠壓工藝，又由于機(jī)構(gòu)具急回特性，對提高生產(chǎn)效率有很大作用，因此，這種機(jī)構(gòu)廣泛使用于冷擠壓機(jī)。我國肘桿機(jī)構(gòu)冷擠壓機(jī)已經(jīng)發(fā)展成形，相繼出現(xiàn)等長肘桿機(jī)構(gòu)，球頭式不等長肘桿機(jī)構(gòu)和三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)。其中 三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點是既能夠增大滑塊的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)適合于滑塊行程及工作行程較大受力也較大的冷擠壓工藝 9。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 2 1.2 課題研究背景和來源 冷擠壓壓力機(jī)是鍛壓機(jī)械的一種，通過通用曲柄連桿機(jī)構(gòu)或肘桿機(jī)構(gòu)以及其他如齒輪機(jī)構(gòu)等傳動，加工精度高，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)機(jī)械化，自動化生產(chǎn)，冷擠壓零件在汽車中所占的比例越來越大，所以大力研究和發(fā)展冷擠壓設(shè)備對提高我國機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)力是非常重要的，但是在我國，對于壓力機(jī)的設(shè)計多是采用經(jīng)驗和類比的傳統(tǒng)分析設(shè)計方法，最后設(shè)計 出的壓力機(jī)往往存在很多問題，比如：機(jī)床笨重，速度低，精度差，耗時長，成本較高，而且性能差，生產(chǎn)效率低，無法和發(fā)達(dá)國家已經(jīng)定型的較成熟的設(shè)備相比，競爭壓力較大。所以我國企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的研究設(shè)計方法，如現(xiàn)在國內(nèi)外主流的有限元分析法。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的快速發(fā)展，有限元現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析法已用運而生并且已被廣泛地應(yīng)用于汽車，工程，機(jī)床等諸多領(lǐng)域，對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)揮重要作用。本課題主要來源于校企合作的自選課題，對 630t立式冷擠壓機(jī)進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高剛度和精度，并減輕質(zhì)量。 1.3 冷擠壓機(jī)的研究現(xiàn)狀 趙長樣 10等對 J31-400 冷擠壓壓力機(jī)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn) J31-400 冷擠壓壓力機(jī)在自行車生產(chǎn)中不適合左右后花盤的擠壓工藝要求問題，提出了改進(jìn)方案，通過理論計算和有限元仿真手段，設(shè)計出了 JA87-500 冷擠壓壓力機(jī)， 該機(jī)采用的是下傳動偏心式閉式立式結(jié)構(gòu)，如下圖 1-1JA87-500冷擠壓壓力機(jī)動作原理簡圖。 圖 1-1 JA87-500冷擠壓壓力機(jī)動作原理簡圖 為了改善壓力機(jī)受力情況和走動特性，采用了滑塊中心和偏心齒輪中心有一定偏距的偏置機(jī)構(gòu)，如下圖 1-2所示 JA87-500 齒輪滑塊偏置機(jī)構(gòu)。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 3 圖 1-2 JA87-500齒輪滑塊偏置機(jī)構(gòu) 采用該機(jī)構(gòu)有以下幾點好處： （ 1） 改變滑塊正反行程運動規(guī)律，有利于進(jìn)行冷擠壓工藝。 （ 2） 偏置后減少了滑塊對導(dǎo)軌的作用力，提高了機(jī)床的導(dǎo)向精度。 JA87-500冷擠壓壓力機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)、行程大、噸位高、能量足，提高了我國鍛件的生產(chǎn)能力和加工精度，已經(jīng)成為了我國大噸位專用冷擠壓壓力機(jī)。 1.4 本課題的研究目的及意義 目的：我國冷擠壓機(jī)和國外比有很大差距，主要原因在分析研究上，國外不僅用計算機(jī)模擬仿真技術(shù)，還通過大量的實驗來模擬。而我國主要是通過理論計算，根據(jù)經(jīng)驗 來估算許用應(yīng)力，再用有限元分析軟件來分析，但側(cè)重靜態(tài)分析，很少用模擬實驗裝置來做大量的實驗。本課題的研究希望能動態(tài)分析設(shè)計，優(yōu)化選擇方案，實現(xiàn)冷擠壓機(jī)的高速化和自動化，提高機(jī)床的精度，減輕質(zhì)量，提高壽命，增加我國壓力機(jī)在國際市場的競爭優(yōu)勢。 意義：本課題主要是通過有限元分析法來進(jìn)行靜、動態(tài)分析，模擬冷擠壓機(jī)床身的變形、應(yīng)力分布和振動情況，選擇最優(yōu)方案，提高我們機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計能力。另外應(yīng)用這些先進(jìn)的分析方法，還能夠提高我國壓力機(jī)的剛度、精度、穩(wěn)定性和使用壽命，提高國際競爭優(yōu)勢。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 4 1.5 本文主要研究內(nèi)容與 要求 本課題主要是對 630t 立式冷擠壓機(jī)床身進(jìn)行有限元計算，分析擠壓機(jī)在承受 800t 載荷作用時，床身的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，從而了解機(jī)床的強(qiáng)度和剛度。在此基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元軟件對擠壓機(jī)進(jìn)行整體建模，分析得到各個部件應(yīng)力與變形的全場分布規(guī)律，并對擠壓機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，在保證擠壓機(jī)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高機(jī)床的剛度和加工精度 ,本課題要求加工精度小于 1mm（即上下兩加載板之間的總變形量小于 1mm），上加載板前后左右變形量要一致，避免機(jī)身前后或者左右發(fā)生扭曲變形，否則嚴(yán)重影響加工精度，在此基礎(chǔ)上考慮到機(jī)身應(yīng)力的合 理分布，要減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 5 第二章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 對于 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)分析，主要采用 ANSYS 有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力與變形的計算，通過分析計算得到的云圖，了解強(qiáng)度和剛度，以此來分析機(jī)床的剛性和加工精度。 2.1 ANSYS 軟件簡介 2.1.1 ANSYS 介紹 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天、機(jī)械制造、能源、船泊、土木、海洋工程、生物工程等許多領(lǐng)域。由世界 上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 公司開發(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、 I DEAS、 Auto CAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD 工具之一，是有限元法的在工程上的實際應(yīng)用。 ANSYS 軟件是第一個通過ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會 （ ASME）、美國核安全局（ NQA）及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用。現(xiàn)在已經(jīng) 通過了 ISO9001 2000 質(zhì)量體系認(rèn)證 17。 ANSYS 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（前處理器）提供了一個強(qiáng)大的實體建模及網(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、實體建模、網(wǎng)格劃分 17。 分析計算模塊（求解器）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）、流體動力學(xué)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(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、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項。 后處理模塊（后處理器）可將計算結(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 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 6 方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。在 ANSYS 中后處理模塊分為通用后處理模塊（ POST1） 和時間歷程后處理器（ POST26） 17。 啟動 ANSYS，進(jìn)入歡迎畫面以后，程序會停留在開始平臺。我們可以從開始平臺（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊： PREP7（通用前處理模塊）， SOLUTION（求解模塊）， POST1（通用后處理 模塊）， POST26（ 時間歷程后處理模塊）等。各個模塊如下圖 2-1 ANSYS 程序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)主菜單 17。 圖 2-1 ANSYS 程序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)主菜單 2.1.2 ANSYS 的主要技術(shù)特點 17 ANSYS 成為載有限元分析軟件中的佼佼者，是因為它有其自身的獨特優(yōu)勢和技術(shù)特點，下面作簡要說明： 1. 程序功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣，用戶界面友好。 2. 交互式圖形顯示。 3. 能實現(xiàn)多場及多耦合分析。 4. 統(tǒng)一使用集中的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)和結(jié)果。 模塊結(jié)構(gòu) SOUTION 求解器 POST1 通用后處理器 POST26 時間歷程后處理器 OPT 優(yōu)化設(shè)計模塊 RUNSTAT 評估分析模塊 OTHER 其它功能 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 7 5. 具有 多物理場優(yōu)化功能。 6. 具有強(qiáng)大的非線性分析能力。 7. 方便的二次開發(fā)能力。 1.5.4 ANSYS 有限元求解的基本步驟 17 ANSYS 軟件含有多種有限元求解功能，包括從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。不過一個典型的 ANSYS 分析過程一般可以分成三步： 1建立模型 （前處理模塊： Preprocessor） 1) 指定工作名 (Job name)和標(biāo)題 (Title)。 2) 選擇并定義單元類型。 3) 定義單元實常數(shù)。 4) 定義材料特性。 5) 創(chuàng)建或讀入幾何模 型。 6) 劃分網(wǎng)格獲得網(wǎng)格化的模型。 7) 檢查模型。 8) 存儲模型。 2. 加載求解（求解模塊： Solution） 1) 選擇分析類型并設(shè)置分析選項。 2) 施加載荷。 3) 設(shè)置載荷步選項。 4) 求解。 3. 查看分析結(jié)果。 1）查看分析結(jié)果。 2） 分析處理并評估結(jié)果。 2.2 機(jī)身簡介 壓力機(jī)的一個基本支撐部件就是機(jī)身，在運作的時候?qū)⒊惺苋抗ぷ髯冃瘟?。因此，合理設(shè)計機(jī)身結(jié)構(gòu)對提高壓力機(jī)剛度和減少機(jī)身質(zhì)量，降低成本，都有重要 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 8 的意義。 機(jī)身分為三大類，即開式 機(jī)身和閉式機(jī)身和半閉式。我研究的 630t 立式冷擠壓機(jī)是半閉式的。 框架形結(jié)構(gòu)床身剛性好， 所以能承受較大的載荷，而且載荷分布比較均勻。 該設(shè)備的主要參數(shù)與要求如下： 型號 : 630t 立式 ； 機(jī)身材料是 Q235， 密度 37800 mkg ； 彈性模量 E=210GPa； 泊松比 =0.3； 動載荷系數(shù)： 1.2（由于設(shè)備在使用中載荷會隨時間有一定的變化）； 加載 800 t；（考慮到動載荷系數(shù)，實際加載 =630*1.2=750t） 上下加載板垂直方向相對位移最大 1mm。 如下圖 2-2所 示為 630t立式冷擠壓壓力機(jī)三維 Solid works圖。 圖 2-2 630t立式冷擠壓機(jī)床身的正視圖與左視圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 9 2.2.1 有限元模型的建立 打開 ANSYS 有限元軟件導(dǎo)入所建的機(jī)身模型如下： (直接將 solid works 軟件所建立的 630t 立式冷擠壓機(jī)機(jī)身三維模型導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中 )如下圖 2-3 導(dǎo)入的 630t 立式冷擠壓機(jī)機(jī)身模型。 圖 2-3 導(dǎo)入的 630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身模型 2.2.2 單元類型的選擇 該機(jī)身是 Q235 焊接結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般的六面體單元無法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的使用要求，而不管多么復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，四面體單元都能精確底反映出結(jié)果信息，適應(yīng)性強(qiáng)，所以可采用四面體單元劃分，本文在 ANSYS 中計算時采用的單元類型就是四面體單元。 此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型 。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 10 2.2.3 單元網(wǎng)格的劃分 本文采用自由網(wǎng)格劃分，但為了遵循“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，部分參數(shù)設(shè)置如下 ; 將 relevance center 設(shè)置成 fine; 將 smoothing 設(shè)置成 high； 將 transition 設(shè)置成 fast； 將 Span angle center 設(shè)置成 fine； 圖 2-4 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如圖 網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖 2-5 所示。有限元模型中一共有 275024 個節(jié)點，有 149378 個單元。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 11 圖 2-5 630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身網(wǎng)格劃分后模型 2.2.4 邊界條件的施加 機(jī)身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個方面：邊界約束和施加載荷。 1） 載荷的施加 實際載荷取 800t，而 ANSYS 軟件中輸入的載荷 是壓強(qiáng)值，故轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)作為載荷，其中上矩形墊板尺寸： 250*280mm 下環(huán)形墊板尺寸： D=300mm， d=85mm 上矩形墊板 載荷 /面積 =123MPa 下環(huán)形墊板 載荷 /面積 =114MPa 2）邊界約束條件 機(jī)座的 底面四個腳采用固定約束方式來限制其 6 個自由度 ，由于考慮到機(jī)身近60t 的重量，因此要施加向下的重力加速度 9.8m/s2。如下圖 2-6 邊界條件施加效果圖。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 12 圖 2-6 邊界條件施加效果圖 2.2.5 材料特性的施加 機(jī)身為 Q235 鋼的板材焊接結(jié)構(gòu)，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， Q235 鋼的彈性模量 E 為 206.76GPa， 泊松比 為0.27 0.3， 本文取 E=2.11011Pa， =0.3， Q235 鋼的密度取 = 7800kg/m3。 2.3 計算結(jié)果分析 2.3.1 機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變要求 （ 1）機(jī)身材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服，所以在強(qiáng)度分析中采用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論。但是 第三強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力 2 影響， 2它可以較好的表現(xiàn)塑性材料塑性屈服現(xiàn)象，只適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。 而第四強(qiáng)度理論考慮了主應(yīng)力 2 的影響，且和實驗較符合，它與第三強(qiáng)度理論比較更接近實際情況。因而在強(qiáng)度評價中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力 來評價。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 13 第四強(qiáng)度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料不發(fā)生破壞的條件是： 許用應(yīng)力 ， = S/安全系數(shù) 而 S = )()()(21 213232221 （第四強(qiáng)度理論公式） 其中： 1 第一主應(yīng)力 ； 2 第二主應(yīng)力 ； 3 第三主應(yīng)力 ； 由前可知，機(jī)身材料為 Q235， S =235MPa 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，則 = 材料屈服強(qiáng)度 /安全系數(shù) =235/1.47=160MPa ，所以 我們所要的應(yīng)力要求是： 160MPa。 （ 2） 機(jī)身變形要求 : mmzz 1 ； 上加載板前后左右變形量要一致。 2.3.2 原始模型整體應(yīng)力圖 首先對原始設(shè)計的機(jī)床進(jìn)行有限元計算，圖 2-7所示為床身整體應(yīng)力分布圖。 如圖 2-7原始模型整體應(yīng)力云圖 圖 2-8最大應(yīng)力點局部放大圖 從圖 2-7 可以看出，機(jī)身應(yīng)力的最大值為 205.37MPa，發(fā)生在上支撐板根部，圖 2-8 所示為該處局部應(yīng)力放大圖。超過材料的許用應(yīng)力 160MPa，說明機(jī)身局部 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 14 應(yīng)力偏大，導(dǎo)致強(qiáng)度不滿足要求。 另外從圖上可以看出，床身大部分區(qū)域應(yīng)力程度較低，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，存在減重的空間，以減少材料降低制造 成本。 2.3.3 整體變形圖 該機(jī)身所受載荷主要是上下 Z 軸方向方向，而且整體上左右相對対稱，所以接下來主要考慮受力方向 Z 方向的變形量，最后再檢驗下 X 方向和 Y 方向的總變形量，滿足要求即可。整體 Z 向變形如下圖 2-9 所示： 圖 2-9 原始模型整體 Z向變形圖 由圖 2-9 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.96461mm ，下工作臺垂直向下的位移為 0.30791mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.96461-（ -0.30791）=1.273mm，明顯已經(jīng)超過了 1mm的精度要求，故要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，減 小變形量。 希望通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在不增加床身自重的前提下，來減小上加載板和下工作臺之間的相對位移量，提高機(jī)床的加工精度。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 15 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計 機(jī)身的優(yōu)化原則是：通過改變機(jī)身板的厚度 或筋板厚度或地腳螺栓位置 ，應(yīng)用ANSYS 計算出機(jī)身最大應(yīng)力，并滿足應(yīng)力和變形要求： 應(yīng)力： 160MPa； 變形： z 1mm； 上加載板前后左右變形量要一致。 3.1 改進(jìn)方案一 由變形圖 3-1顯示，主要變形區(qū)在上、前半部分，集中在加載板支撐部分，因此首先想到的就是將加載板左右支撐板加厚 30mm，如下圖 截圖所示 圖 3-1 將加載板左右支撐板加厚 30mm 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力如圖 3-2、整體 Z 向變形如圖 3-3。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 16 圖 3-2改進(jìn)方案一機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖 3-3改進(jìn)方案一機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-2 可知最大應(yīng)力 max=190.13MPa，大于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠； 由圖 3-3 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.92151mm ，下工作臺垂直向下的位移為 0.30279mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.92151-（ -0.30279） =1.224mm 1mm，變形量較大，剛度不夠； 質(zhì)量 m=58374kg，增加 35kg； 顯然此方案無法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 17 3.2 改進(jìn)方案二 為了提高方案一改進(jìn)后的左右支撐板支撐能力，就在該支撐板上各加 2個加強(qiáng)筋，如下圖 3-4所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400。 圖 3-4改進(jìn)方案二機(jī)身結(jié)構(gòu)修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算 ，整體應(yīng)力如圖 3-5、整體 Z 向變形如圖 3-6。 圖 3-5改進(jìn)方案二機(jī)身應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 18 圖 3-6改進(jìn)方案二機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-5 可知最大應(yīng)力 max=163.2MPa，大于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠； 由圖 3-6 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.84801 ，下工作臺垂直向下的位移為 0.3027mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.84801-（ -0.3027）=1.151mm 1mm，變形量較大，剛度不夠，但是和前一個方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量 m=58514kg 增加 175kg；總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度、剛度不夠， 無法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.3 改進(jìn)方案三 考慮到最上面的頂板前半部分承受較大的載荷，而且變形較大，作為上加載板的重要支撐部分，可以在方案二的基礎(chǔ)上，將上頂板前半部分加厚 40mm，如下圖 3-7所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400； 將上頂板前半部分加厚 40mm。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 19 圖 3-7改進(jìn)方案三機(jī)身修改部分圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力 如圖 3-8、整體 Z 向變形如圖 3-9。 圖 3-8改進(jìn)方案一機(jī)身整體應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 20 圖 3-9改進(jìn)方案一機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-8 可知最大應(yīng)力 max=174.4MPa，大于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠； 由圖 3-9 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.81891 ，下工作臺垂直向下的位移為 0.30302mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.81891-（ -0.30302）=1.122mm 1mm，變形量較大，剛度不夠，但是和前一個方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量 m=59607g，增加 1268kg；總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度、剛度不夠， 無法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.4 改進(jìn)方案四 理論上兩側(cè)豎筋板對上加載板施加向下的拉力，可以有效阻礙上加載板向上發(fā)生變形，所以在方案三的基礎(chǔ)上將兩側(cè)豎筋板加厚 20mm，如下圖 3-10 所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400； 將上頂板前半部分加厚 40mm； 兩側(cè)豎筋板加厚 20mm。 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 21 圖 3-10 改進(jìn)方案四機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型 重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力如圖 3-11、整體 Z 向變形如圖 3-12。 圖 3-11 改進(jìn)方案四機(jī)身整體應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 22 圖 3-12 改進(jìn)方案四機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-11 可知最大應(yīng)力 max=177.94MPa，大于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠； 由圖 3-12 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.79633 ，下工作臺垂直向下的位移為 0.30312mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.79633-（ -0.30312） =1.100mm 1mm，變 形量略大，剛度不夠，但是和前一個方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量 m=61122g，增加 2783kg； 總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度、剛度不夠，雖然改進(jìn)后效果很好，但是質(zhì)量增加太多，嚴(yán)重增加成本負(fù)擔(dān)，所以此方案要舍去 ，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.5 改進(jìn)方案五 由圖 2-9 原始模型變形情況可以看出，機(jī)身下半部分變形最大的地方就在下工作臺上，其 Z 軸向下變形量大于 0.3mm，所以可以將下工作臺加厚 40mm，來提高其剛度，減少向下的位移量，如圖 3-13 所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400； 將上頂板前半部分加厚 40mm; 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 23 工作臺加厚 40mm。 圖 3-13 改進(jìn)方案五機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力如圖 3-14、整體 Z 向變形如圖 3-15。 圖 3-14 改進(jìn)方案五機(jī)身整體應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 24 圖 3-15 改進(jìn)方案五機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-11 可知最大應(yīng)力 max=164.72MPa，大于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠； 由圖 3-12 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.81887 ，下工作臺垂直向 下的位移為 0.28291mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.81887-（ -0.28291） =1.102mm 1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量 m=59985g，增加 1646kg； 總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度、剛度不夠，質(zhì)量雖然增加很多，但是和前一個方案比，要好很多， 需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.6 改進(jìn)方案六 由方案五可以看出，質(zhì)量還是增加很多，考慮到機(jī)身底板主要承受的是壓力，而低碳鋼抗拉能力不高，但是抗壓能力很好，所以底板無需太厚，可以適當(dāng)減少材料，如下圖 3-16所示將底 板厚度減去 20mm： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400； 將上頂板前半部分加厚 40mm; 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 25 工作臺加厚 40mm； 底板厚度減去 20mm。 圖 3-16 改進(jìn)方案六機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力如圖 3-17、整體 Z 向變形如圖 3-18。 圖 3-17 改進(jìn)方案六機(jī)身整體應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 26 圖 3-18 改進(jìn)方案六機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-17 可知最大應(yīng)力 max=147.61MPa，小于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠； 由圖 3-12 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.81803mm ，下工作臺垂直向下的位移為 0.28687mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.81803-（ -0.28687） =1.105mm 1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量 m=59066g，增加 727kg； 總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度足夠，在降低應(yīng)力方面顯然比前面方案要好，但是整體剛度不夠，質(zhì)量增加依然很多，還 需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.7 改進(jìn)方案七 由方案六可知，改變底板厚度對機(jī)身強(qiáng)度和重 量影響很大，所以可以將底板再減去 10mm，即和原始機(jī)身相比總共減去 30mm，如下圖 3-19所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 140*80*400； 將上頂板前半部分加厚 40mm; 工作臺加厚 40mm； 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 27 底板厚度減去 30mm。 圖 3-19 改進(jìn)方案七機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元 ANSYS 軟件，加載、加邊界，再計算，整體應(yīng)力如圖 3-20、整體 Z 向變形如圖 3-21。 圖 3-20 改進(jìn)方案七機(jī)身整體應(yīng)力云圖 630t 立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計 28 圖 3-21 改進(jìn)方案七機(jī)身整體 Z向變形圖 分析圖 3-20 可知最大應(yīng)力 max=145.18MPa，小于許用應(yīng)力 160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠； 由圖 3-21 可以看出，床身上加載板沿 Z 軸垂直向上的位移為 0.82008mm ，下工作臺垂直向下的位移為 0.29016mm，沿 z 向總的相對變形量為 =0.82008-（ -0.29016） =1.110mm 1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量 m=58607g，增加 268kg； 總的來說， 此方案機(jī)身 強(qiáng)度足夠，和前面方案相比，質(zhì)量增加的很少，但是整體剛度不夠，還 需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.8 改進(jìn)方案八 由圖 2-2 可知，上加載板的下加強(qiáng)筋與兩側(cè)豎筋板的接觸面比較小，理論上，增加加強(qiáng)筋的長度可以有效阻礙上加載板向上發(fā)生位移，所以將該處加強(qiáng)筋加長200mm，如下圖 3-22 所示： 上加載板左右支撐板加厚 30； 在支撐板上加四個加強(qiáng)筋 14