【文章內(nèi)容簡介】 量與工作性能 [17]。 一個典型的 ANSYS 分析過程可分為以下三個步驟：（ 1）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何模型；定義材料屬性；劃分單元（節(jié)點及單 元）；（ 2）施加載荷進行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；（ 3）查看結果。包括查看分析結果；檢驗分析是否正確。壓力機的可靠性、安全性、加工精度和使用壽命等是機床結構設計和機床運行應考慮的主要問題，基于此，利用 solidworks 和 ANSYS 軟件對壓力機進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應應分析，通過分析得出壓力機的靜剛度、前六階振型及固有頻率，為評價壓力機的動靜態(tài)特性以及后面的設計改造提供了實驗數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機設計改進提供了參考 [18] 。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 4 本課題來源及研究的目的和意義 課題來源 本課題 來源于江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司， MP160 型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 MP160 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(zhì)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)品的市場的競爭力。該設備的主要的參數(shù)如下： 型 號 : MP160 公 稱 壓 力 : 1600KN 標準行程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 機身材料是 Q235A，密度 ρ=7800kg/m3 許用角變形 [θ]=1200 微??； 該公 司以往的壓力機是利用傳統(tǒng)設計方法，設計方案只是根據(jù)經(jīng)驗所提出，沒有經(jīng)過實驗校核和有限元分析，可能導致剛度、強度的不足、材料多余等問題，本論文結合現(xiàn)代設計方法，借助有限元分析工具對 MP160 壓力機機身做有限元分析和優(yōu)化。 研究的目的和意義 課題的目的：利用有限元軟件對壓力機機身進行結構優(yōu)化設計，在滿足壓力機機身的強度和剛度的基礎上改善壓力機的形狀，達到總體結構輕量化和最優(yōu)化的目標。我國壓力機的分析水平還不高，長期以來還停留在材料力學的方法上，將機身簡化成桿梁結構，許用應力大多來自經(jīng)驗。對機身的有限元 分析大多限于靜態(tài)分析，而動態(tài)方面研究做得很少。隨著電子技術、計算機技術與機床技術的結合，使得分析設計的內(nèi)容更加完善化、目標最優(yōu)化、過程動態(tài)化、使機床加工高速化、加工過程自動化和柔性化。 課題的意義：隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機的需求越來越多，國內(nèi)國際市場競爭非常激烈。我國目前壓了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，速度和精度都不高，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 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 5 力機領域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)代設計理念和手段，利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)特征的計算，對壓力機機身做全面的分析優(yōu)化。同時，對壓力機的優(yōu)化方法進行優(yōu)化方法探索，實現(xiàn)真正意義上的設計。 本課題需要研究的內(nèi)容和要解決的問題 （ 1） 研究的內(nèi)容 本文要求運用有限元分析軟件 ANSYS對 MP160型 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，分析各種振型對液壓機工作狀態(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，為液壓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 MP160 型 壓力機機身 進行三維實體建模； 2） 了解 MP160 型 壓力機 工作性質(zhì)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(zhì)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）技術要求 1） 要求校核 MP160 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）閱讀圖紙 ，根據(jù)分析 對主板，主墊板，隔板，拖動架的結構進行適當、合理的 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 6 簡化，然后運用三維造型軟件 Solid Works，完成三維實體造型； 2） 熟悉并掌握有限元分析軟件 ANSYS，將所建立的實體模型導入 ANSYS 中； 3） 了解 MP160 型 壓力機工作性質(zhì)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； 4） 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； 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(zhì)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。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 7 第二章 壓力機機身的靜態(tài)分析 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。機身結構分為鑄造結構和焊接結構兩種。 MP160 壓力機機身為半開半閉的焊接加螺栓結構，左右基本對稱，建構簡圖如圖 ，主要技術規(guī)格如下： 型 號 : MP160 公 稱 力： 1600KN 標準行程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 圖 壓力機機身結構圖 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(zhuǎn)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，同時使得有限元模型得到簡化，確定以下建模規(guī)則： 1） 對于明顯不會影響機身整體強度、剛度的部位，如螺釘孔、銷孔、圓角 等予以簡化； 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 8 2） 認為焊接質(zhì)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。 單元類型的選取 用三維實體單元來描述機身結構，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 Solid45，該單元為四面體 8 節(jié)點三維實體線性單元，每個節(jié)點 有三個移動自有度，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。 添加材料常數(shù) 選用的機身材料為 Q235A，彈性模量 E=；泊松比 μ=， Q235A，密度 ρ=7800kg/m3 。 網(wǎng)格的劃分 單元的劃分遵循 “均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ”的原則，網(wǎng)格應細劃的位置：喉口圓角處及主墊板，網(wǎng)格應粗劃的位置是：左右側(cè)板的絕大部分及兩側(cè)板間的連接筋板等部位。 一般來說，網(wǎng)格數(shù)量越多越能反映實體的應力應變情況，提高計算的精度，但隨著單元數(shù)的增加，計算量 也越來越大，本文的單元大小為 50mm,細劃部位采用的單元大小為 40mm,經(jīng)過劃分單元后，共有 136128 個節(jié)點， 81431 個單元。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 9 圖 網(wǎng)格圖 邊界條件的施加 （ 1）載荷的施加 載荷的施加是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，它直接關系到計算結果的真實性。已知該型壓力機所受最大載荷即公稱力 160KN,設備在工作時受到兩個方向的載荷，一個是作用在液壓缸的上表面，方向向上；另一個作用在工作臺上，方向向下。兩力大小相等，方向相反。液壓缸上表面和工作臺上的載荷均是均布載荷。 （ 2） 工作臺及液壓缸上載荷的處理 工作臺上的載荷按均布載荷處理，其大小計算如下： P=F* 其中： F——公稱壓力； A——受力面積； 1920KN 的動載荷平均分布在工作臺上，則 P=1600KN*（ *） =75MPa。 缸上的載荷按均布載荷， P=1600KN*（ ? **） =61MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 10 圖 工作臺加載力示意圖 圖 缸上加載力示意圖 （ 3） 邊界的約束條件 施加邊界約束條件是有限元分析過程的重要一環(huán)，邊界約束條件的準確度直接 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 11 影響到有限元分析的結果。在有限元分析中確定邊界條件一般應做到以下幾條：要施加足夠的約束，保證模型不產(chǎn)生剛體位移；施加的邊界條件必須符合物理模型的實際工況；力求簡單直觀，便于計算分析。 在本文的靜力分析中，對機座底部的所有自由度進行約束。 計算結果分析 應力和變形要求 （ 1）變形要求： ? ? mmxx 1?? ?? ； ? ? mmyy 1?? ?? ； ? ? mmzz 1?? ?? 。 （ 2）要求 :材料為低碳鋼，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? ?[? ] [? ]——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 Q235A， 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 ，則 [? ]= s? /安全系數(shù) =235/=160MPa。 而我們所要的應力要求是： [? ]≤160MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 12 應力圖形顯示（單位： MPa，以下相同）