mt200壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院</b></p><p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 MT200壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 生 姓 名

2、 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) </p

3、><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 </p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　近年來(lái)制造業(yè)成為國(guó)家大力支持和發(fā)展的行業(yè)，機(jī)床工業(yè)是制造業(yè)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

4、然而，有限元分析技術(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。本文以閉式壓力機(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)行有限元靜態(tài)、模態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究。本文對(duì)閉式壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，采用均布載荷的方法對(duì)機(jī)身進(jìn)行加載，將地腳螺栓加以全約束，然后進(jìn)行計(jì)算處理，對(duì)機(jī)身的變形大小和應(yīng)力分布進(jìn)行分析，從而定量確定機(jī)身的薄弱環(huán)節(jié)，并用有限元方法計(jì)

5、算了機(jī)身的角變形。 由于各項(xiàng)參數(shù)都有富余，所以根據(jù)分析結(jié)果， 提出三種改進(jìn)方案以減少機(jī)身材料。</p><p>　　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)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。最后對(duì)論文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：閉式壓力機(jī)，有限元，靜態(tài)分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)，模態(tài)分析</p&

6、gt;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, our country has been fully supporting and developing the manufacturing industry, whose foundation and key lies in the machine tool indust

7、ry. However, the application of finite element analysis is significant in shortening the period of production development, increasing the quality of production, reducing the cost of manufacture and improving the enterpri

8、se competitive ability. Static and modal this present dissertation using finite element analysis software ANSYS, and some impr</p><p>　　Modal analysis using ANSYS Workbench is to resolve its inherent frequen

9、cy and corresponding mode shapes. It can help to understand the modal characteristics and dynamic characteristics of the structure. It also provides a theoretical basis and foundation foe design and improvement of the st

10、ructure. Finally the paper's research contents are summarized and discussed.</p><p>　　Key words: closed press, finite element method, static analysis, improvement designs, modal analysis</p><p

11、><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要III</b></p><p>　　AbstractIV</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p&

12、gt;<p>　　1.2壓力機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3課題研究背景和來(lái)源2</p><p>　　1.4課題研究?jī)?nèi)容2</p><p>　　第二章 研究方法及研究工具介紹4</p><p>　　2.1 有限元法4</p><p>　　2.1.1 有限元研究方法4</

13、p><p>　　2.1.2 有限元的基本思想4</p><p>　　2.1.3有限元的優(yōu)點(diǎn)5</p><p>　　2.1.4 有限元應(yīng)用的種類(lèi)5</p><p>　　2.1.5有限元軟件的分析步驟6</p><p>　　2.2三維實(shí)體建模軟件Solidworks簡(jiǎn)介6</p><p>　　

14、2.3 ANSYS模態(tài)功能介紹6</p><p>　　2.4有限元分析軟件ANSYS Workbench簡(jiǎn)介7</p><p>　　第三章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析8</p><p>　　3.1 機(jī)身簡(jiǎn)介8</p><p>　　3.2機(jī)身有限元分析9</p><p>　　3.2.1制定方案9</p>

15、;<p>　　3.3有限元模型的建立9</p><p>　　3.3.1單元類(lèi)型的選擇10</p><p>　　3.3.2單元網(wǎng)格的劃分10</p><p>　　3.3.3邊界條件的施加11</p><p>　　3.3.4 邊界約束條件11</p><p>　　3.3.5材料特性的施加12<

16、;/p><p>　　3.4 計(jì)算結(jié)果分析12</p><p>　　3.4.1機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變要求12</p><p>　　3.4.2 應(yīng)力圖形顯示13</p><p>　　3.4.3整體變形圖14</p><p>　　3.4.4局部變形圖17</p><p>　　3.4.5 X，Y，Z方向最

17、大變形量的對(duì)比18</p><p>　　3.4.6機(jī)身角變形與角剛度計(jì)算18</p><p>　　第四章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1優(yōu)化方案一21</p><p>　　4.1.1 應(yīng)力圖顯示21</p><p>　　4.1.2整體變形圖顯示22</p><p>

18、;　　4.1.3 喉口變形圖顯示24</p><p>　　4.1.4 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比26</p><p>　　4.1.5角變形與角剛度26</p><p>　　4.2優(yōu)化方案二27</p><p>　　4.2.1 應(yīng)力圖顯示27</p><p>　　4.2.2 整體變形圖28</p&g

19、t;<p>　　4.2.3 喉口變形圖29</p><p>　　4.2.4 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比31</p><p>　　4.2.5 角變形與角剛度31</p><p>　　4.3優(yōu)化方案三32</p><p>　　4.3.1應(yīng)力圖顯示32</p><p>　　4.3.2 整體變形圖顯

20、示33</p><p>　　4.3.3 喉口變形圖顯示34</p><p>　　4.3.4 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比36</p><p>　　4.3.5 角變形與角剛度36</p><p>　　4.4 選擇最佳優(yōu)化方案37</p><p>　　第五章 機(jī)身的模態(tài)分析38</p><

21、;p>　　5.1 模態(tài)分析概念38</p><p>　　5.2 模態(tài)分析的原理38</p><p>　　5.3 改進(jìn)機(jī)身的自由模態(tài)分析39</p><p>　　5.4 無(wú)約束模態(tài)下的振型描述44</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望51</p><p><b>　　6.1 總結(jié)51<

22、;/b></p><p><b>　　6.2 展望51</b></p><p><b>　　致 謝52</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)53</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><

23、p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展制造工業(yè)，尤其對(duì)“極大”與“極小”制造給予更多的關(guān)注和支持。制造業(yè)水平的高低決定了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力。60年代，伴隨震動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，以及頻率特性分析儀和機(jī)械阻抗測(cè)試儀的問(wèn)世，使結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)測(cè)試成為可能；70年代發(fā)展起來(lái)的快速傅立葉變換技術(shù)（FFT）及有限元分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的理論建模和實(shí)驗(yàn)建模；8

24、0年代末，機(jī)械機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)得到了發(fā)展。目前機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)，是將作為動(dòng)態(tài)分析重要手段的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)（EMA）和有限元分析方法（FEA）同迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以進(jìn)一步發(fā)展和完善機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和完善。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，產(chǎn)品的功能越來(lái)越強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，新產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期不斷縮短，設(shè)計(jì)分析在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中

25、占據(jù)極其重要的位置。在研發(fā)過(guò)程中，CAE軟件ANSYS技術(shù)的使用，縮短了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的周期，極大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，使設(shè)計(jì)人員能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段分析產(chǎn)品的靜、動(dòng)態(tài)特性，模擬產(chǎn)品在未來(lái)工作環(huán)境的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為，在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷、并對(duì)其修改并證實(shí)未來(lái)工程、產(chǎn)品性能的可行性和可靠性，但是它的建模功能有待增強(qiáng)。</p><p>　　壓力機(jī)由于其性?xún)r(jià)比好、作業(yè)便捷、且用途廣泛而深受歡迎，市場(chǎng)需求量越來(lái)越大。與此同

26、時(shí)，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也異常激烈。伴隨著大噸位壓力機(jī)的發(fā)展，壓力機(jī)零部件的安全性顯得尤其的重要。而有限元分析強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能可以輕而易舉地分析解決用傳統(tǒng)的方法無(wú)法解決的復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力情況下的問(wèn)題，利用它解算復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，并且有限元模型能很好地虛擬現(xiàn)實(shí)工況，故分析結(jié)果準(zhǔn)確。為此，提出了關(guān)于本課題的研究——對(duì)MT200精整壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。</p><p>　　1.2壓力機(jī)的國(guó)

27、內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　隨著機(jī)電一體化和數(shù)控技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是與金屬切削機(jī)床相比，鍛壓機(jī)械的伺服化、數(shù)字化的開(kāi)發(fā)落后了數(shù)十年[21]。上世紀(jì)90年代，在日、歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家興起了交流伺服機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)，這種伺服壓力機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械壓力機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、滑塊運(yùn)動(dòng)柔性好、降噪節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)壓力機(jī)在日本進(jìn)入普及期，隨著其在汽

28、車(chē)零件、電子零件等高精度、難成行加工領(lǐng)域中的應(yīng)用和其優(yōu)良的節(jié)能性么，已經(jīng)顯示了其他壓力機(jī)所無(wú)可比擬的優(yōu)越性，成為世界沖壓技及裝備發(fā)展的主要潮流之一[1]。</p><p>　　日本在伺服壓力機(jī)的研究、生產(chǎn)及商品化等方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，掌握了伺服壓力機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。日本komstsu公司在伺服壓力機(jī)的研發(fā)上目前已經(jīng)出現(xiàn)了三代不同的產(chǎn)品，第一代是1998年發(fā)明的HCP3000，第二代是2001年問(wèn)世的H2F、H

29、4F，第三代是2002年H1F系列[2]。2005年日本網(wǎng)野公司開(kāi)發(fā)出世界上最大的大型伺服壓力機(jī)，目前公司根據(jù)各種生產(chǎn)需求，研發(fā)出了機(jī)械連桿伺服壓力機(jī)、曲柄多連桿伺服壓力機(jī)、液壓式伺服壓力機(jī)等多種類(lèi)型的伺服壓力機(jī)[3]。2007年德國(guó)SCHULER公司推出了2500-3600KN系列產(chǎn)品。2010年舒勒推出了新一代伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)。</p><p>　　自上世紀(jì)八十年代以來(lái)，我國(guó)的一些企業(yè)先后引進(jìn)了日本小松制作

30、所得機(jī)械壓力機(jī)、德國(guó)埃爾福特公司的機(jī)械多連桿壓力機(jī)、德國(guó)舒勒公司的告訴精密壓力機(jī)等多種壓力機(jī)產(chǎn)品技術(shù)，是我國(guó)沖壓裝備在結(jié)構(gòu)、精度、技術(shù)性能方面有很大提高[24]。2007年10月濟(jì)南二機(jī)床研制出我國(guó)第一臺(tái)大型伺服壓力機(jī)。臺(tái)灣金豐企業(yè)開(kāi)發(fā)了CM1型伺服壓力機(jī)。2007年廣州鍛壓機(jī)床廠(chǎng)和華南理工大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的CDKS系類(lèi)肘桿伺服壓力機(jī)。齊二機(jī)床近年先后引進(jìn)了瑞典APT研配試沖液壓機(jī)技術(shù)，與上海交通大學(xué)合作成功研制了伺服壓力機(jī)技術(shù)。200

31、8年兩者又采用沉余容錯(cuò)技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)成功了2000KN對(duì)稱(chēng)肘桿伺服壓力機(jī)，打破了國(guó)外大型伺服電機(jī)對(duì)中國(guó)市場(chǎng)的壟斷，發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。</p><p>　　隨著我國(guó)制造業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)能生產(chǎn)出最大下壓能力為50000KN的單動(dòng)壓力機(jī)和最大下壓能力為20000KN的雙動(dòng)壓力機(jī)以及最大下壓能力為20000KN的多連桿單動(dòng)壓力機(jī)[22]。雖然近幾年國(guó)內(nèi)伺服壓力機(jī)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但在有些關(guān)鍵技術(shù)上和國(guó)外還是有很

32、大的差距。為了提高了我國(guó)大型伺服壓力機(jī)的研發(fā)水平，必須走自主創(chuàng)新之路，開(kāi)著具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、符合中國(guó)發(fā)展條件的大型伺服壓力機(jī)研制工作。</p><p>　　1.3課題研究背景和來(lái)源</p><p>　　鍛壓機(jī)械是指在鍛壓加工中用于成形和分離的機(jī)械設(shè)備。鍛壓機(jī)械包括成形用的鍛錘、機(jī)械壓力機(jī)、液壓機(jī)、螺旋壓力機(jī)和平鍛機(jī)，以及開(kāi)卷機(jī)、矯正機(jī)、剪切機(jī)、鍛造操作機(jī)等輔助機(jī)械。鍛壓設(shè)備廣泛應(yīng)用于

33、汽車(chē)、航空、電子、家電等工業(yè)領(lǐng)域。其中，作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的標(biāo)志之一的汽車(chē)工業(yè)，被當(dāng)今世界主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和新興工業(yè)國(guó)家列為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展主導(dǎo)了鍛壓技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展，鍛壓技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步基本圍繞汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展而進(jìn)行。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)促使汽車(chē)更新?lián)Q代的速度明顯加快，產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命周期進(jìn)一步縮短；與此同時(shí)，汽車(chē)變型品種日益增多，現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)生產(chǎn)日益呈現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模化、車(chē)型個(gè)性化，車(chē)型批量小、車(chē)型變化快、多車(chē)型共線(xiàn)生產(chǎn)、車(chē)身覆蓋件大

34、型化一體化的特征。傳統(tǒng)的加工單一品種的剛性生產(chǎn)線(xiàn)顯然已不適應(yīng)這種特征和市場(chǎng)形勢(shì)發(fā)展的要求，其升級(jí)換代產(chǎn)品具有高柔性和高效率的自動(dòng)化鍛壓設(shè)備，成為世界沖壓技術(shù)及裝備發(fā)展的主要潮流。</p><p>　　本課題來(lái)源于江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司。MT200型壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)MT200型壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。通過(guò)本課題的研究,為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能，質(zhì)量

35、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。</p><p><b>　　1.4課題研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　要求運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)MT200型壓力機(jī)進(jìn)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。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)來(lái)達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，提高

36、經(jīng)濟(jì)效益。模態(tài)分析可以求出機(jī)身振動(dòng)的固有頻率以及相應(yīng)的振型，分析各種振型對(duì)液壓機(jī)工作狀態(tài)的影響壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。主要任務(wù)內(nèi)容有：</p><p>　　(1)對(duì)MT200型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模；</p><p>　　(2)了解MT200型壓力機(jī)工作性質(zhì)和工作狀態(tài)；分析它的工作載荷，確定邊界條件及加載方案； </p><p>　　(3)劃分網(wǎng)格，進(jìn)

37、行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響；</p><p>　　(4)對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，求解機(jī)身固有頻率以及相應(yīng)振型的等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響；</p><p>　　(5)根據(jù)分析的結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域采取措施來(lái)改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，改變相關(guān)尺寸的變量，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

38、強(qiáng)度和剛度。重復(fù)進(jìn)行以上步驟，直到獲取最佳的方案。</p><p>　　第二章 研究方法及研究工具介紹</p><p><b>　　2.1 有限元法</b></p><p>　　2.1.1 有限元研究方法</p><p>　　有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)、物理學(xué)問(wèn)題的一種數(shù)值方法，是當(dāng)前各行業(yè)通用的重要的計(jì)算方法[2

39、3]。它是20世紀(jì)50年代末60年代初興起的現(xiàn)代力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)。有限元發(fā)展至今，已由二維問(wèn)題擴(kuò)展到三維問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力學(xué)的問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題、穩(wěn)定性問(wèn)題，由結(jié)構(gòu)力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、電磁學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，由線(xiàn)性問(wèn)題擴(kuò)展到非線(xiàn)性問(wèn)題，由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性。塑性、黏塑性和復(fù)合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴(kuò)展到土木建筑、航天、機(jī)械制造、造船、水利工程、電子技術(shù)及原子能等。由單一物理場(chǎng)的求解擴(kuò)展到多物理

40、場(chǎng)的耦合，其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大地拓展[4]。</p><p>　　有限元方法是目前解決科學(xué)和工程問(wèn)題最有效的一種數(shù)值方法。有限元法具有極大地靈活性和通用性；對(duì)同一種問(wèn)題的有限元法，可以編制出通用的程序，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算；只要適當(dāng)加密單元的網(wǎng)格，就可以達(dá)到工程要求的精度；有限元法采用矩陣形式的表達(dá)，便于編程序，可以充分利用高速電子計(jì)算機(jī)所提供的方便[5]。但是在求解一些特殊問(wèn)題，特別是間斷問(wèn)題時(shí)，有限元

41、方法存在著某些固有的缺陷。針對(duì)有限元方法的不足，1999年，美國(guó)西北大學(xué)的Belytschko研究組提出了一種用于處理間斷問(wèn)題的修正的有限元方法-擴(kuò)展有限元法，并增加了對(duì)不連續(xù)邊界的描述[6]。</p><p>　　2.1.2 有限元的基本思想</p><p>　　有限元法的基本思想是先將研究對(duì)象的連續(xù)求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方

42、式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬成不同幾何形狀的求解小區(qū)域；然后對(duì)單元( 小區(qū)域) 進(jìn)行力學(xué)分析， 最后再整體分析。這種化整為零，集零為整的方法就是有限元的基本思路[5]。</p><p>　　有限元法的解題步驟：</p><p>　　（1）劃分單元網(wǎng)格，并按照一定的規(guī)律對(duì)單元和結(jié)點(diǎn)編號(hào)。根據(jù)求解區(qū)域的形狀及實(shí)際問(wèn)題的物理特點(diǎn)，將區(qū)域剖分為若干相互連接、不重疊的單元。區(qū)

43、域單元?jiǎng)澐质遣捎糜邢拊椒ǖ那捌跍?zhǔn)備工作，這部分的工作量比較大，除了對(duì)計(jì)算單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)并確定相互之間的關(guān)系之外，還要表示節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，同時(shí)還需要列出自然邊界和本質(zhì)邊界的節(jié)點(diǎn)序號(hào)及相應(yīng)的邊界值。</p><p>　　（2）選定直角坐標(biāo)系，按程序要求填寫(xiě)和輸入有關(guān)信息。</p><p>　?。?）使用已經(jīng)編好的程序進(jìn)行上機(jī)計(jì)算。計(jì)算程序中對(duì)輸入的各種信息進(jìn)行加工、運(yùn)算。</p&g

44、t;<p>　　（4）對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行整理、分析，用表格或圖線(xiàn)示出所需的位移及應(yīng)力。在劃分單元時(shí)，單元的大小(即網(wǎng)格的疏密)要根據(jù)精度要求和計(jì)算機(jī)的速度及容量來(lái)確定。單元分得越小，計(jì)算結(jié)果越精確。所以，有限元法的核心是網(wǎng)格剖分與邊界條件的確定，然后是選用現(xiàn)代數(shù)學(xué)進(jìn)行運(yùn)算求解，最后對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)于許多具體情況，可使用一些建立起來(lái)的物理模型，從而可使問(wèn)題簡(jiǎn)單化。</p><p>　　而真正在設(shè)計(jì)中

45、，目前多使用CAD一類(lèi)的高級(jí)輔助軟件進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，以保證設(shè)計(jì)的正確性、準(zhǔn)確性及最優(yōu)化。</p><p>　　2.1.3有限元的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　（1）有限元法具有極大的通用性和靈活性。它不僅能成功地處理如應(yīng)力分析中的非均質(zhì)材料、各向異性材料、非線(xiàn)性應(yīng)力、 應(yīng)變關(guān)系及復(fù)雜邊界條件等難題，而且隨著其理論基礎(chǔ)和方法的逐步改進(jìn)和完善，還成功地用來(lái)求解熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)以及電磁場(chǎng)領(lǐng)域的許多問(wèn)

46、題，現(xiàn)在它幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)及場(chǎng)問(wèn)題。</p><p>　?。?）對(duì)同一類(lèi)問(wèn)題的有限元法，可以編制出通用的程序，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　?。?）只要適當(dāng)加密單元的網(wǎng)格，就可以達(dá)到工程要求的精度。</p><p>　　（4）有限元法采用矩陣形式的表達(dá)，便于編程序，可以充分利用高速電子計(jì)算機(jī)所提供的方便[9]。</p><p

47、>　　2.1.4 有限元應(yīng)用的種類(lèi)</p><p>　　在實(shí)際的工程技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)分析的目的，有限元法的應(yīng)用可以分為以下三種類(lèi)型：</p><p>　　一、是進(jìn)行靜力分析，也就是求解不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)平衡問(wèn)題。如線(xiàn)彈性系統(tǒng)的應(yīng)力分析，也可以在靜磁學(xué)、靜電學(xué)、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)等的分析。</p><p>　　二、是模態(tài)分析和穩(wěn)定性分析。它是平衡問(wèn)題

48、的推廣?？梢源_定一些系統(tǒng)的特征值或臨界值，如結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及線(xiàn)彈性系統(tǒng)的固有特性的確定等。</p><p>　　三、是進(jìn)行瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析。可以求解一些隨時(shí)間變化的傳播問(wèn)題，如彈性連續(xù)體的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)分析(或稱(chēng)為動(dòng)力響應(yīng))，流體動(dòng)力學(xué)等。</p><p>　　2.1.5有限元軟件的分析步驟1</p><p>　?。?）明確目標(biāo)：①什么類(lèi)型的分析；②怎么構(gòu)建模型；③什么單元

49、。</p><p>　?。?）創(chuàng)建有限元模型：①創(chuàng)建或讀入幾何模型；②定義材料屬性；③劃分網(wǎng)格（節(jié)點(diǎn)及單元）。</p><p>　?。?）施加載荷及求解：①施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件；②求解。</p><p>　?。?）查看結(jié)果：①查看分析結(jié)果；②檢驗(yàn)結(jié)果（分析是否正確）。</p><p><b>　　通俗的表示就是：<

50、/b></p><p>　　2.2三維實(shí)體建模軟件Solidworks簡(jiǎn)介</p><p>　　SolidWorks 軟件采用了特征建模技術(shù)和設(shè)計(jì)過(guò)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(hù)提供了多種多樣的設(shè)計(jì)過(guò)程專(zhuān)用工具。對(duì)于焊件設(shè)計(jì)，可以使用直觀的布局方法

51、來(lái)迅速獲取設(shè)計(jì)意圖。通過(guò)利用焊縫、角撐板、頂蓋和切割清單，迅速完成焊件設(shè)計(jì)。它還包含功能強(qiáng)大的鈑金工具，用于在折疊或展開(kāi)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(kāi)、正交切除、角切除、正交處理、褶邊、 轉(zhuǎn)折等的創(chuàng)建過(guò)程。借助 SolidWorks 軟件，用戶(hù)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)。</p

52、><p>　　在本課題中，研究的對(duì)象是壓力機(jī)機(jī)身，只需使用Solidworks中實(shí)體建模這一常用功能即可。</p><p>　　2.3 ANSYS軟件介紹</p><p>　　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。</p><p>　　前處理模塊（前處理器）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(hù)可以方便地構(gòu)造

53、有限元模型。包括參數(shù)定義、實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分。</p><p>　　分析計(jì)算模塊（求解器）包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線(xiàn)性分析、非線(xiàn)性分析和高度非線(xiàn)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(lèi)型定義、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項(xiàng)。</p><p>　　后處理模塊（后處理器）可將計(jì)

54、算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)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(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)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(shí)間歷程后處理器（POST26）。 </p><p>　　啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫(huà)面以后，程序會(huì)停留在開(kāi)始平臺(tái)。我們可以從開(kāi)始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊）

55、，SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）等。</p><p>　　2.4有限元分析軟件ANSYS Workbench簡(jiǎn)介</p><p>　　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(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD享和交換，如Pr

56、o/Engineer，I－DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。</p><p>　　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(guò)程中CAE軟件的異構(gòu)問(wèn)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。</p><p>　　與傳

57、統(tǒng)ANSYS對(duì)比，Workbench與其主要功能大致相同，有以下幾點(diǎn)： </p><p>　　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。</p><p>　　2）熱分析：熱分析通過(guò)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(xiàn)性和非線(xiàn)性分析，可以模擬材料的凝固和溶解過(guò)程。</p>

58、<p>　　第三章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析</p><p><b>　　3.1 機(jī)身簡(jiǎn)介</b></p><p>　　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(lèi)：即開(kāi)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。我研究的MT200

59、型壓力機(jī)是閉式的?？蚣苄谓Y(jié)構(gòu)床身剛性好，所承受的載荷大而均勻。</p><p>　　公 稱(chēng) 壓 力: 200KN；</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)行程次數(shù): 1250×1250；</p><p>　　機(jī)身材料是Q235A，密度；</p><p><b>　　許用角變形微?。?lt;/b></p><

60、p>　　動(dòng)載荷系數(shù)：1.2（由于設(shè)備在使用中載荷會(huì)隨時(shí)間有一定的變化）。</p><p>　　3.2機(jī)身有限元分析</p><p><b>　　3.2.1制定方案</b></p><p>　　1.在Soildworks里畫(huà)出MT200壓力機(jī)的三維模型再導(dǎo)入ANSYS軟件中[15]。</p><p><b>

61、;　　2.選擇塊單元。</b></p><p>　　3.對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，遵循“均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃”的原則[16]。</p><p>　　4.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)方向的均勻載荷。</p><p>　　5.約束條件：壓力機(jī)通過(guò)地腳螺栓與地基項(xiàng)鏈部分的6自由度全約束[17]。

62、</p><p>　　6.施加材料特性：機(jī)身材料是Q235A，密度</p><p>　　7.對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析[18]。</p><p>　　8.分析壓力機(jī)在加載情況下機(jī)身受力垂直變形以及角變形。</p><p>　　9.對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)優(yōu)化。機(jī)身的優(yōu)化原則是：通過(guò)改變機(jī)身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANSYS計(jì)算出機(jī)身最大應(yīng)力和垂直變形，以許用應(yīng)力

63、和原有的變形為約束，優(yōu)化的目標(biāo)是選擇合適的機(jī)身焊接結(jié)構(gòu)與鋼板厚度，盡量減輕機(jī)身的重量[19]。</p><p>　　10.對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，檢驗(yàn)這些模態(tài)參數(shù)是否符合模態(tài)參數(shù)準(zhǔn)則[20]。</p><p>　　3.3有限元模型的建立</p><p>　　有限元模型的生成是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能夠真實(shí)反映實(shí)際工程原型

64、行為特征的數(shù)學(xué)模型。由于圖形比較復(fù)雜，不適合在ANSYS中建模。我選擇在SolidWorks里建模但還需簡(jiǎn)化，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(xiāo)孔、圓角等予以簡(jiǎn)化，因?yàn)閴毫C(jī)的變形主要集中在喉口部位，不會(huì)影響影響分析結(jié)果。然后把SolidWorks里的圖保存，再導(dǎo)入ANSYS中，實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)限元模型。</p><p>　　圖3.2 MT200壓力機(jī)機(jī)身的有限元模型</p>&l

65、t;p>　　3.3.1單元類(lèi)型的選擇</p><p>　　該機(jī)身是 Q235 鑄造的整體結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，可采用六面體單元?jiǎng)澐?，本文?ANSYS 中計(jì)算時(shí)采用的是六面體單元 SOLID95，此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會(huì)降低精確性，特別適合邊界為曲線(xiàn)的模型；同時(shí)，其偏移形狀的兼容性好，有 20 個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，(X，Y，Z 方向)，此單元在空間的方位任意，本單元具有塑性、蠕變、輻射膨

66、脹、應(yīng)力剛度、 大變形以及大應(yīng)變的能力，提供不同的輸出項(xiàng)。</p><p>　　3.3.2單元網(wǎng)格的劃分</p><p>　　單元的劃分應(yīng)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[18-20]，具體到本機(jī)身上，網(wǎng)格應(yīng)細(xì)劃的位置是：喉口圓角處部位；而網(wǎng)格應(yīng)粗劃的位置是：前后側(cè)板的絕大部分及兩側(cè)板間的連接筋板等部位。一般來(lái)說(shuō)，單元?jiǎng)澐值脑郊?xì)計(jì)算精度就越高，但單元?jiǎng)澐执嬖谝粭l收斂曲線(xiàn)，

67、過(guò)細(xì)對(duì)計(jì)算的精度貢獻(xiàn)不大，同時(shí)造成計(jì)算量的陡增。過(guò)細(xì)有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生計(jì)算精度的漂移與誤差。本文在用 ANSYS計(jì)算時(shí)劃分單元時(shí)，采用的單元大小為 60mm，細(xì)劃部位采用的單元大小為 30mm，經(jīng)過(guò)劃分單元后，共有232028個(gè)節(jié)點(diǎn)，127622 個(gè)單元。</p><p>　　圖3.3 機(jī)身的網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　3.3.3邊界條件的施加</p><p>　　機(jī)

68、身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個(gè)方面：載荷的施加和邊界約束。</p><p><b>　　1）載荷的施加</b></p><p>　　本設(shè)備的公稱(chēng)壓力是 200KN，但由于實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備受到的載荷會(huì)隨時(shí)間有一定的變化，故應(yīng)在靜載荷上乘以一個(gè)動(dòng)載荷系數(shù)1.20，即實(shí)際受到的載荷數(shù)應(yīng)當(dāng)是240KN，由于在ANSYS軟件分析時(shí)所施加的是壓強(qiáng)，所以具體壓強(qiáng)值應(yīng)為載荷除以受力面積。

69、分析其應(yīng)力和變形時(shí)，取其公稱(chēng)壓力為機(jī)身的外載荷。設(shè)備在工作時(shí)承受兩個(gè)方向的載荷，一個(gè)是作用在支撐板上，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，且都以均布載荷的形式作用于面上。</p><p>　　3.3.4 邊界約束條件</p><p>　　機(jī)身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個(gè)方面：載荷的施加和邊界約束。</p><p><b>　　

70、1）載荷的施加</b></p><p>　　本設(shè)備的公稱(chēng)壓力是 200KN，但由于實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備受到的載荷會(huì)隨時(shí)間有一定的變化，故應(yīng)在靜載荷上乘以一個(gè)動(dòng)載荷系數(shù)1.20，即實(shí)際受到的載荷數(shù)應(yīng)當(dāng)是240KN，由于在ANSYS軟件分析時(shí)所施加的是壓強(qiáng)，所以具體壓強(qiáng)值應(yīng)為載荷除以受力面積。分析其應(yīng)力和變形時(shí)，取其公稱(chēng)壓力為機(jī)身的外載荷。設(shè)備在工作時(shí)承受兩個(gè)方向的載荷，一個(gè)是作用在支撐板上，方向向上；另一個(gè)是

71、作用在工作臺(tái)上，方向向下。兩者大小相等，方向相反，且都以均布載荷的形式作用于面上。</p><p><b>　　2）邊界約束條件</b></p><p>　　MT200壓力機(jī)機(jī)座的邊界約束條件是通過(guò)地腳螺釘與基礎(chǔ)相連的全約束，故將前面和后面的各個(gè)與地面接觸的底板都使用 6 自由度全部位移予以約束，由于機(jī)身的重量達(dá) 6000 多公斤，因此考慮機(jī)身的自重，考慮重力或離心力

72、是通過(guò)施加相應(yīng)的加速度來(lái)定義的，由于慣性力和加速度的方向剛好相反，因此對(duì)于此圖而言應(yīng)施加向上的重力加速度9.8。</p><p>　　3.3.5材料特性的施加</p><p>　　機(jī)身為Q235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)》，Q235鋼的彈性模量E為206.76 ，泊松比為0.27～0.3，本文取，， Q235鋼的

73、密度取。</p><p>　　3.4 計(jì)算結(jié)果分析</p><p>　　3.4.1機(jī)身的應(yīng)力和變行</p><p>　?。?）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)力影響，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。</p>&l

74、t;p>　　而第四強(qiáng)度理論考慮了主應(yīng)力的影響，且和實(shí)驗(yàn)較符合，它與第三強(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（又稱(chēng)Von Mises 等效應(yīng)力）來(lái)評(píng)價(jià)[20-21]。</p><p>　　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：</p><p><b>　　——許用應(yīng)力 ， </b></p>

75、;<p><b>　　而 = </b></p><p>　　其中：， ，——第一，第二，第三主應(yīng)力。</p><p>　　由前可知，機(jī)身材料為Q235，</p><p>　　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=235/1.47=160，而我們所要的應(yīng)力要求是：。</p><p&

76、gt;　　（2）機(jī)身變形要求: 。</p><p>　　3.4.2 應(yīng)力圖形顯示 （單位：MPa，以下單位相同）</p><p>　　本文采用第四強(qiáng)度理論，只要給出Von-Mises應(yīng)力圖即可。</p><p><b>　　1）應(yīng)力等值線(xiàn)圖</b></p><p>　　圖3.5 Von Mises 應(yīng)力等值云圖<

77、;/p><p>　　從該圖可以看出，機(jī)身應(yīng)力的最大值為49.577MPa，小于160MPa，且機(jī)身，特別是支撐板處有一定形變，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。</p><p><b>　　2）喉口應(yīng)力圖</b></p><p>　　圖3.6 喉口Von Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　3.4.3機(jī)身變形圖（單位：mm，以下單位相同

78、）</p><p>　　為了更好的說(shuō)明問(wèn)題，先對(duì)機(jī)身的坐標(biāo)系做一下解釋。如圖2-6中所示，沿豎直方向?yàn)?Y向，左右方向?yàn)?X 向，垂直紙面的方向?yàn)?Z 向。圖中的虛線(xiàn)是機(jī)身原始狀態(tài)，實(shí)體則顯示了變形后的狀態(tài)。由于液壓機(jī)體積較大，而幾毫米的變形量在實(shí)際中是看不出來(lái)的，為了方便查看變形效果，圖中顯示的變形是 ANSYS 軟件的夸張顯示[22-24]。</p><p><b>　　機(jī)身

79、總變形圖</b></p><p>　　圖3.7 機(jī)身總變形圖</p><p><b>　　2 )X方向變形圖</b></p><p>　　圖3.8 X方向變形圖</p><p><b>　　Y方向變形圖</b></p><p>　　圖3.9 Y方向變形圖<

80、;/p><p><b>　　Z方向變形圖</b></p><p>　　圖3.10 Z方向變形圖</p><p>　　3.4.4局部變形圖</p><p><b>　　喉口X方向的變形圖</b></p><p>　　圖3.12 喉口X方向的變形圖</p><

81、p><b>　　喉口Y方向的變形圖</b></p><p>　　圖3.13 喉口Y方向的變形圖</p><p><b>　　喉口Z方向的變形圖</b></p><p>　　圖3.14 喉口Z方向的變形圖</p><p>　　3.4.5 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比</p>

82、<p>　　表3-1 最大應(yīng)變</p><p>　　如表3-1所示，機(jī)身的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.318 mm，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.177mm，小于1mm，符合要求。</p><p>　　3.4.6機(jī)身角變形與角剛度計(jì)算</p><p>　　角變形是指壓力機(jī)變形時(shí)滑塊相對(duì)于工作臺(tái)面的傾斜夾角，其可能包括非工作狀態(tài)時(shí)滑塊、導(dǎo)軌和工作臺(tái)由于制造精度不高以及壓力機(jī)裝

83、配存在誤差時(shí)而產(chǎn)生的傾角，還可能由于壓力機(jī)負(fù)載時(shí)曲軸、連桿和滑塊彈性變形時(shí)造成的，但主要是機(jī)身本身的角變形造成的。</p><p>　　圖2.13 MT200壓力機(jī)機(jī)身正視圖</p><p>　　角剛度是指壓力機(jī)的滑塊相對(duì)于工作臺(tái)面產(chǎn)生單位角變形時(shí)，壓力機(jī)所承受的作用力，可用表示，即</p><p><b>　　=</b></p>

84、<p>　　式中P—壓力機(jī)承受載荷，在此為公稱(chēng)載荷；</p><p>　　—壓力機(jī)承受載荷P時(shí)，使喉口傾斜的角變形。</p><p><b>　　=l+2+3+4</b></p><p>　　分別取喉口處端點(diǎn)A、B、C、D、E、F處Y方向的位移差為、、、，設(shè)AB的水平距離為L(zhǎng)1，BC的水平距離為L(zhǎng)2，DE的水平距離為L(zhǎng)3，EF的水

85、平距離為L(zhǎng)4。則導(dǎo)軌的角變可近似為：</p><p>　　tanl =/L1；</p><p>　　tan2=/ L2；</p><p>　　tan3=/ L3；</p><p>　　tan4=/ L4；</p><p>　　=AY-BY=23.8428e-5-15.70778e-5=8.12e--2 mm；=BY-C

86、Y=15.70778e-5-13.62045e-5=2.09e-2 mm；</p><p>　　=DY-EY=3.83148e-5-1.47969e-5=2.35e-2 mm；</p><p>　　=EY-FY=1.47969e-5-（-7.04108）e-5=9.52e-2mm；</p><p>　　角變形可近似計(jì)算為：</p><p>　

87、　l tanl= =8.12e-2/855=9.52e-5 rad =95μrad</p><p>　　2 tan2==2.09e-2/210=9.95e-5 rad =99.5μrad</p><p>　　3 tan3==2.35e-2/210=11.9e-5 rad =111.9μrad</p><p>　　4 tan4==9.52e-2/855=10.72e-

88、5rad=111.3μrad</p><p>　　機(jī)身的總角變形為=l+2+3+4=95+99.5+111.9+111.3=417.7＜980，符合要求。</p><p>　　根據(jù) JB/T6580.1-1999 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)身的許用角剛度：=0.00l2Pg=0.24(KN/μrad)。機(jī)身角剛度==200/417.7=0.479(KN/μrad) ＞[ ]，角剛度符合要求。</p

89、><p>　　第四章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p>　　通常，一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，往往是綜合各種因素，提出一種初始方案，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，使其滿(mǎn)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)身結(jié)構(gòu)，應(yīng)用 ANSYS計(jì)算出機(jī)身最大應(yīng)力和角變形，以許用應(yīng)力和原有的變形為約束，

90、以減輕機(jī)身的重量作為目的。本機(jī)身靜態(tài)主要是強(qiáng)度和剛度兩方面的特性，但對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，剛度問(wèn)題比強(qiáng)度問(wèn)題更為重要，因此在優(yōu)化方面主要考慮機(jī)身的變形問(wèn)題。</p><p>　　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(mǎn)足應(yīng)力和變形要求：應(yīng)力：[]≤160MPa。變形：δx≤1mm δy≤1mm δz≤1mm。</p><p><b>　　4.1優(yōu)

91、化方案一</b></p><p>　　由變形圖可知，壓力機(jī)的應(yīng)力很小，采用的優(yōu)化方法是把兩側(cè)板厚度厚度從50mm減少到40mm。</p><p>　　4.1.1 應(yīng)力圖顯示</p><p><b>　　1) 應(yīng)力等值線(xiàn)圖</b></p><p>　　圖4.1 Von Mises 應(yīng)力云圖</p>

92、<p><b>　　2）喉口應(yīng)力圖</b></p><p>　　圖4.2 喉口Von Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　4.1.2機(jī)身變形圖顯示</p><p><b>　　1）X方向變形圖</b></p><p>　　圖4.3 X方向變形圖</p><

93、p><b>　　2）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖4.4 Y方向變形圖</p><p><b>　　3）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4.5 Z方向變形圖</p><p><b>　　4）機(jī)身總變形圖</b></p><

94、p>　　圖4.6 總變形圖</p><p>　　4.1.3 喉口變形圖顯示</p><p>　　1）喉口X方向變形圖</p><p>　　圖4.7 喉口X方向變形圖</p><p>　　2）喉口Y方向變形圖</p><p>　　圖4.8 喉口Y方向變形圖</p><p>　　3）喉口

95、Z方向變形圖</p><p>　　圖4.9 喉口Z方向變形圖</p><p>　　4.1.4 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比</p><p><b>　　表4-1 最大應(yīng)變</b></p><p>　　如表4-1所示，最大拉伸變形為0.422mm，最大壓縮變形為0.2240mm，符合變形量小于1mm的要求。</

96、p><p>　　4.1.5角變形與角剛度</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　=EY-FY=2.628e-5-（-12.414）e-5=15.042e-2

97、mm；</p><p>　　則角變形可近似計(jì)算為：</p><p>　　l tanl= =17.834e-2/855 =208.6</p><p>　　2 tan2==5.069e-2/210=241.4</p><p>　　3 tan3==1.697e-2/210=80.8</p><p>　　4 tan4==15

98、.042e-2/855=175.9</p><p>　　機(jī)身的總角變形為=l+2+3+4=208.6+241.4+80.8+175.9=706.7＜980，符合要求。</p><p>　　機(jī)身角剛度==200/706.7=0.283() ＞，角剛度符合要求。</p><p><b>　　4.2優(yōu)化方案二</b></p><p

99、>　　由于應(yīng)力和應(yīng)變比較小，所以還可以減少厚度來(lái)節(jié)約材料，在優(yōu)化方案1的基礎(chǔ)上，把支撐板的厚度減少10mm。</p><p>　　4.2.1 應(yīng)力圖顯示</p><p>　　1）機(jī)身整體應(yīng)力圖顯示</p><p>　　圖4.10 Von mises應(yīng)力云圖</p><p>　　2） 喉口應(yīng)力圖顯示</p><p&g

100、t;　　圖4.11 喉口Von mises應(yīng)力云圖</p><p>　　從以上幾幅圖中可以看出，機(jī)身最大應(yīng)力為96.345MPa小于160MPa,符合要求。</p><p>　　4.2.2 機(jī)身變形圖</p><p><b>　　1）X方向變形圖</b></p><p>　　圖4.12 X方向變形圖</p>

101、;<p><b>　　2）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖4.13 Y方向變形圖</p><p><b>　　3）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4.14 Z方向變形圖</p><p>　　4.2.3 喉口變形圖</p><p>　　

102、1）喉口X方向變形圖</p><p>　　圖4.15 喉口X方向變形圖</p><p>　　2）喉口Y方向變形圖</p><p>　　圖4.16 喉口Y方形變形圖</p><p>　　3）喉口Z方形變形圖</p><p>　　圖4.17 喉口Z方向變形圖</p><p>　　4.2.4 X

103、，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比</p><p><b>　　表4-2 最大應(yīng)變</b></p><p>　　如表4-2所示，最大拉伸變形為0.8104mm，最大壓縮變形為0.2397mm，符合變形小于1mm的要求。</p><p>　　4.2.5 角變形與角剛度</p><p>　　=AY-BY=22.6171e-5-10

104、.8077e-5=11.8094e--2 mm；</p><p>　　=BY-CY=10.8077e-5-7.9582e-5=2.8495e-2 mm；</p><p>　　=DY-EY=5.95543e-5-3.15226e-5=2.80317e-2 mm；</p><p>　　=EY-FY=3.15226e-5-（-2.953）e-5=6.10526e-2mm；

105、</p><p>　　則角變形可近似計(jì)算為：</p><p>　　l tanl= =11.8094e-2/855=13.85e-5 rad =138.1μrad</p><p>　　2 tan2==2.8495e-2/210=13.57e-5 rad =135.7μrad</p><p>　　3 tan3==2.80317e-2/210=13

106、.35e-5 rad =133.5μrad</p><p>　　4 tan4==6.10526e-2/855=6.88e-5rad=71.4μrad</p><p>　　機(jī)身的總角變形為：=l+2+3+4=138.5+135.7+133.5+68.8=478.7＜980，符合要求。</p><p>　　根據(jù) JB/T6580.1-1999 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)身的許用角剛度

107、：。而此機(jī)身角剛度=P/=200/478.7=0.42(KN/＞，角剛度符合要求。</p><p><b>　　4.3優(yōu)化方案三</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)兩次優(yōu)化，可以看出第二次改進(jìn)結(jié)果比第一次優(yōu)化理想，但還需重新改進(jìn)一次，在第一次改進(jìn)基礎(chǔ)上，將兩側(cè)邊的上邊沿修成弧形以減少材料，再增加一對(duì)地腳螺栓以加強(qiáng)機(jī)身結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)其分析，觀察應(yīng)變應(yīng)力的變化。</p&

108、gt;<p>　　4.3.1應(yīng)力圖顯示</p><p><b>　　1）機(jī)身整體應(yīng)力圖</b></p><p>　　圖4.18 Von mises 應(yīng)力云圖</p><p>　　2）喉口Von mises應(yīng)力圖</p><p>　　圖4.19 喉口Von mises應(yīng)力云圖</p><

109、;p>　　從上圖可以看出，機(jī)身的最大應(yīng)力為99.675MPa，小于160MPa，符合應(yīng)力要求。</p><p>　　4.3.2機(jī)身變形圖顯示</p><p><b>　　1）X方向變形圖</b></p><p>　　圖4.20 X方向變形圖</p><p><b>　　2）Y方向變形圖</b>

110、;</p><p>　　圖4.21 Y方向變形圖</p><p><b>　　3） Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4.22 Z方向變形圖</p><p>　　4.3.3 喉口變形圖顯示</p><p><b>　　1）X方向變形圖</b></p>

111、<p>　　圖4.23 喉口X方向變形</p><p><b>　　2）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖4.24 喉口Y方向變形</p><p><b>　　3） Z方向變形</b></p><p>　　圖4.25 喉口Z方向變形</p><p&g

112、t;　　4.3.4 X，Y，Z方向最大變形量的對(duì)比</p><p><b>　　表4-3 最大應(yīng)變</b></p><p>　　如表4-3所示，機(jī)身的最大拉伸應(yīng)變?yōu)?.819mm，最大壓縮應(yīng)變?yōu)?.2349mm，小于1mm，符合要求。</p><p>　　4.3.5 角變形與角剛度</p><p>　　=AY-BY=23

113、.9927e-5-9.22325e-5=14.76945e--2 mm； =BY-CY=9.22325e-5-6.67034e-5=2.55291e-2 mm；</p><p>　　=DY-EY=3.99859e-5-1.85532e-5=2.14327e-2 mm；</p><p>　　=EY-FY=1.14327e-5-（-3.48141）e-5=5.33673e-2mm；</p

114、><p>　　則角變形可近似計(jì)算為：</p><p>　　l tanl= =10.76945e-2/855 =172.7μrad</p><p>　　2 tan2==2.55291e-2/210 =121.6μrad</p><p>　　3 tan3==2.14327e-2/210 =102.1μrad</p><p>　

115、　4 tan4==5.33673e-2/855=62.4μrad</p><p>　　機(jī)身的總角變形：=l+2+3+4=172.7+121.6+102.1+62.4=458.8＜980，符合要求。機(jī)身角剛度=P/=200/458.8=0.44(KN/μrad) ＞，角剛度符合要求。</p><p>　　4.4 選擇最佳優(yōu)化方案</p><p>　　表4-4 機(jī)身的改

116、進(jìn)方案對(duì)比</p><p>　　由上表可以看出，原壓力機(jī)所受最大應(yīng)力和最大變形比較小。方案一雖然變形小，但體積較大。方案二所受最大應(yīng)力雖然較方案一有所增加，但材料還不夠節(jié)省。方案三的各項(xiàng)參數(shù)都滿(mǎn)足要求，機(jī)身更加美觀，所以綜合各項(xiàng)因素，選擇方案三作為最佳設(shè)計(jì)方案</p><p>　　第五章 機(jī)身的模態(tài)分析</p><p>　　5.1 模態(tài)分析概念</p>

117、<p>　　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(wèn)題的分析愈來(lái)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(mǎn)足工程實(shí)際的要求。 60 年代發(fā)展起來(lái)的模態(tài)分析技術(shù)，解決了靜態(tài)分析難以解決的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、模態(tài)參數(shù)識(shí)別、建模和從力學(xué)特性出發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等問(wèn)題。模態(tài)分析通過(guò)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(guò)大的振動(dòng)、過(guò)高的噪聲等一些不正

118、常的響應(yīng)。通過(guò)模態(tài)分析，可識(shí)別載荷的譜別和來(lái)源，找出有害的振型和節(jié)點(diǎn)位置，在此基礎(chǔ)上通過(guò)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