【導(dǎo)讀】動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)階段邁進(jìn)。利用大型有限元分析軟件ANSYS,以MC80壓力機(jī)機(jī)身為研。究對(duì)象，對(duì)MC80壓力機(jī)進(jìn)行三維建模。產(chǎn)品開發(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。其主要內(nèi)容如下：。數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響。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。

　　

【正文】 )從 VonMises應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為 ，小于許用應(yīng)力 160 Mpa，符合應(yīng)力要求。 變形分析 1)從 X 變形圖可以看出，變形為 ，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 2)從 Y 變形圖可以看出，變形為 mm，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 3)從 Z 變形圖可以看出，變形為 ，符合了變形需要小于 1 mm 的要求。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 30 結(jié)果表格 經(jīng)計(jì)算可節(jié)省的材料如表 1 所示： 表 方案 可節(jié)省材料的體積 (m3) 可節(jié)省材料的重量 (kg) 方案一 方案二 方案三 壓 力機(jī)機(jī)身各種方案下的計(jì)算結(jié)果如表 2 所示： 表 機(jī)身最大應(yīng)力（ MPa） 最大變形 (mm) X 方向 Y 方向 Z 方向 原設(shè)計(jì)方案 0． 021491 改進(jìn)方案 方案一：將機(jī)身壁厚減少 20mm,由原來(lái)的 80mm 改為60mm。 方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，將喉口處直線部分的長(zhǎng)度由 133mm 改為115mm。 方 案三：在方案一方案二的基礎(chǔ)上，將工作臺(tái)下面的梯形凹槽改為矩形凹槽。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 31 本章小結(jié) 對(duì)于這次的優(yōu)化，我們提出了 3 個(gè)優(yōu)化方案，這三個(gè)方案總體來(lái)說都符合優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，但是出于材料的節(jié)省來(lái)說，第 1 方案為最佳方案，總共可以節(jié)省 1023 ㎏的材料，大大節(jié)省了成本。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 32 第五章 壓力機(jī)的模態(tài)分析 模態(tài)分析概念 模態(tài)分析的經(jīng)典定義：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)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)變換的變換矩陣為模態(tài)矩陣，其每列為模態(tài)振型。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(lái)處理工程中的振動(dòng)問題。計(jì)算模態(tài)分析實(shí)際上是一種理論建模過程，主要是運(yùn)用有限元法對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學(xué)模型，用各種近似方法求解特征值和特征矢量。由于阻尼難以準(zhǔn)確處理，因此通常均不考慮小阻尼系統(tǒng)的阻尼，解得的特征 值和特征矢量及系統(tǒng)的固有頻率和固有振動(dòng)矢量?？梢?，用模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，如果要進(jìn)行模態(tài)疊加響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，固有頻率和振型也是必要的。 模態(tài)分析的作用 模態(tài)分析所的最終目標(biāo)在是識(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)故障診斷和預(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)。 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個(gè)方面： 1) 評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性； 2) 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)； 3) 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 的故障； 4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲； 5) 識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。 模態(tài)分析的的方法與步驟 模態(tài)分析的的方法 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 33 (reduced householder method)： 該方法為一般結(jié)構(gòu)最常用的方法之一。其原理是在原結(jié)構(gòu)中選取某些重要的節(jié)點(diǎn)為自由度，稱為主自由度 (master degree of freedom)，再用該主自由度來(lái)定義結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣及剛度矩陣并求出其頻率及振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)而將其結(jié)果擴(kuò)展至全部結(jié)構(gòu)。在解題過程中該方法速度較快，但其答案較不準(zhǔn)確。 主自由度的選擇依 照所探討的模態(tài)、結(jié)構(gòu)負(fù)載的情況而定： a. 主自由度的個(gè)數(shù)至少為所求頻率個(gè)數(shù)的兩倍。 b. 選擇主自由度的方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)最可能振動(dòng)的方向。 c. 主自由度節(jié)點(diǎn)位于較大質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量處及剛性較低位置。 d. 如果彎曲模態(tài)為主要探討模態(tài)，則可省略旋轉(zhuǎn)自由度。 e. 主自由度的節(jié)點(diǎn)位于施力處或非零位移處。 f. 位移限制為零的位置不能選為主自由度節(jié)點(diǎn)，因?yàn)檫@種節(jié)點(diǎn)具有高剛性的特性。 可以用 M 命令來(lái)定義主自由度。此外，也可由 ANSYS 自動(dòng)選擇自由度。 2. 次空間 法 (subspace method)： 通常用于大型結(jié)構(gòu)中，僅探討前幾個(gè)振動(dòng)頻率，所得到結(jié)果較準(zhǔn)確，不需要定義主自由度，但需要較多的硬盤空間及 CPU 時(shí)間。求取的振動(dòng)模態(tài)數(shù)應(yīng)該小于模型全部自由度的一半。 3. 非對(duì)稱法 (unsymmetrical method)： 該方法用于質(zhì)量矩陣或剛度矩陣為非對(duì)稱時(shí)，例如轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。其特征值(eigenvalue)為復(fù)數(shù)，實(shí)數(shù)部分為自然頻率；虛數(shù)部分為系統(tǒng)的穩(wěn)定度，正值表示不穩(wěn)定，負(fù)值表示穩(wěn)定。 4. 阻尼法 (damped method)： 該方法 用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有阻尼現(xiàn)象時(shí)，其特征值為復(fù)數(shù)，虛數(shù)部分為自然頻率；實(shí)數(shù)部分為系統(tǒng)的穩(wěn)定度，正值表示不穩(wěn)定，負(fù)值表示穩(wěn)定。 5. 區(qū)塊法 (block lanczos method)： 該方法用于大型結(jié)構(gòu)對(duì)稱的質(zhì)量及剛度矩陣，和次空間方法相似，但收斂性更快。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 34 6. 快速動(dòng)力法 (power dynamics method)： 該方法用于非常大的結(jié)構(gòu)（自由度大于 100,000）且僅需最小幾個(gè)模態(tài)。該方法質(zhì)量矩陣采用集中質(zhì)量法。 模態(tài)分析的的步驟 1. 模型建立。模態(tài)分析是線性分析，如果在分析中指定了 非線性單元，程序在計(jì)算過程中將忽略其非線性行為，故模態(tài)分析盡可能選用線性單元。在材料特性中密度 DENS 一定要定義，以構(gòu)建質(zhì)量矩陣；另外必須指定彈性模量 EX。材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、恒定的或與溫度相關(guān)的，但非線性性質(zhì)將被忽略。 /SOLU 中定義模態(tài)分析，聲明模態(tài)分析方法，結(jié)構(gòu)外力負(fù)載（通常指結(jié)構(gòu)約束條件，如果有結(jié)構(gòu)外力，則是預(yù)應(yīng)力問題），主自由度的選擇（如選用降階法）。求解，退出 /SOLU。 3. 再進(jìn)入 /SOLU，將所得結(jié)果擴(kuò)展至全結(jié)構(gòu)，求解，并保存至結(jié)果文件以便在后處理器中檢查結(jié)果。 4. 進(jìn)入 /POST1 檢查結(jié)果。也可以將求解與模態(tài)擴(kuò)展合并在一起，定義完模態(tài)分析相關(guān)參數(shù)后，不求解，先定義模態(tài)擴(kuò)展，然后再求解。 機(jī)身的模態(tài)分析 對(duì)于模態(tài)設(shè)置進(jìn)行擴(kuò)展，所以對(duì)于求得的的每一階固有頻率，程序同時(shí)都求解了其對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型反應(yīng)在該固有頻率時(shí)模板各節(jié)點(diǎn)的位移情況?？梢岳?ANSYS通用后處理器方便地對(duì)其進(jìn)行觀察和分析，并可以對(duì)各階模態(tài)振型進(jìn)行動(dòng)畫顯示。 通過建模、網(wǎng)格劃分、添加約束，得到機(jī)身的前十階振型的共振頻率，結(jié)果如表 所示。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 35 表 機(jī)身的十階振型的共振頻率 頻 率（ Hz） 振 型 一階 機(jī)身 Z 方向左右擺動(dòng) 二階 機(jī)身頂部 X 方向左右擺動(dòng) 三階 機(jī)身頂部 Y 方向扭轉(zhuǎn) 四階 機(jī)身主板后側(cè) Z 方向左右擺動(dòng) 五階 機(jī)身主板后側(cè) Z 方向左右擺動(dòng) 六階 X 方向扭轉(zhuǎn) 七階 機(jī)身主板后側(cè) Z 方向左右擺動(dòng) 八階 工作臺(tái)后方部分上下移動(dòng) 九階 機(jī)身主板后側(cè) Z 方向左右擺動(dòng) 十階 工作臺(tái)后方部分上下移動(dòng) 機(jī)身的前十階約束模態(tài)振型如圖 —圖 ： 圖 一階 約束模態(tài) 振型 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 36 圖 二階 約束模態(tài) 振型 圖 三階 約束模態(tài) 振型 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 37 圖 四階 約束模態(tài) 振型 圖 五階 約束模態(tài) 振型 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 38 圖 六階 約束模態(tài) 振型 圖 七階 約束模態(tài) 振型 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 39 圖 八階 約束模態(tài) 振型 圖 九階 約束模態(tài) 振型 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 40 圖 十階 約束模態(tài) 振型 本章小結(jié) 本章介紹了有限元法中的模態(tài)分析，具 體說明了它的方法與步驟。在這一張中，我們倒入了我們?cè)O(shè)計(jì)的壓力機(jī)，得到了它的頻率和振型。我們通過圖片可以看出它的扭轉(zhuǎn)，也列出了它的頻率與振型的表格。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 41 第六章 結(jié)論與展望 結(jié)論 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)技術(shù)，已成為一個(gè)企業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力、在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中生存和發(fā)展以及一個(gè)國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的支柱。本文利用有限元法，對(duì) MC80 壓力機(jī)的機(jī)架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。也取得了一定的研究成果，具體的研究結(jié)果如下： 1） 利用三維造型軟件 Solid Work 對(duì) MC80 壓力機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模，導(dǎo)入到 ANSYS軟 件中建立有限元模型 2） 運(yùn)用有限元分析軟件 ANSYS，建立了壓力機(jī)機(jī)架的參數(shù)化模型，并應(yīng)用于有限元分析中。對(duì)參數(shù)化模型劃分網(wǎng)格后，給出約束條件、邊界條件和工況載荷條件，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。 3） 通過 ANSYS 進(jìn)行靜態(tài)分析 得到壓力機(jī)機(jī)身各結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移變形云圖 ， 根據(jù)原始方案的應(yīng)力、變形圖的分析，改變相關(guān)尺寸變量以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 4） 運(yùn)用 ANSYS 對(duì)壓力機(jī)經(jīng)行了模態(tài)分析，對(duì)它的穩(wěn)定性能有了一定的了解。 展望 本文運(yùn)用了 ANSYS 軟件對(duì) MC80 壓力機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析，得到了 MC80型壓力機(jī)的性能參數(shù)，并對(duì) 其進(jìn)行改進(jìn)，改善了性能并節(jié)省了材料。 由于時(shí)間和具體專業(yè)的關(guān)系，我們對(duì)壓力機(jī)的分析研究以及對(duì) ANSYS 這個(gè)軟件的應(yīng)用分析還有很多的不足，所以對(duì)于這次的研究分析還有許許多多的不足，而且得到的結(jié)論或者結(jié)果還有許多欠缺的地方。我們對(duì)于 ANSYS 這個(gè)軟件的用處接觸的到也只是 一小部分 。所以在以后的 工作 生活中，我會(huì)繼續(xù)在機(jī)械工程這個(gè)大社會(huì)中 謙虛 的學(xué)習(xí) ，夯實(shí)自己的專業(yè)基礎(chǔ)，力爭(zhēng) 掌握更多的軟件技能，設(shè)計(jì)并且優(yōu)化一些機(jī)械，讓它有更好的性能和經(jīng)濟(jì)效果。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 42 致謝 時(shí)間過得飛快，轉(zhuǎn)眼間我們就要畢業(yè)了，這四年中包含了太 多的酸甜苦辣，總的來(lái)說我們的收獲還是不小的。 這次論文能夠順利完成，首先要感謝鄭翔副教授的殷切指導(dǎo)和教誨，鄭老師淵博的學(xué)術(shù)知識(shí)以及豐富的經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖谡n態(tài)度、平易近人的學(xué)者風(fēng)范深深地影響了我，讓我一生受益。同時(shí)感謝在這次論文中對(duì)我?guī)椭^的學(xué)長(zhǎng)以及我的同學(xué)，對(duì)于你們的無(wú)私幫助，對(duì)于你們的這份情誼，我將終生難忘。我在此對(duì)他們表示深深的感謝，并祝愿他們前程似錦，萬(wàn)事順心。最后，我要特別感謝我的家人，謝謝家里人對(duì)我的無(wú)私栽培。是他們用自己的血汗來(lái)栽培我完成了我的學(xué)業(yè)。時(shí)光如梭，希望我自己在走向工作崗位后能再接再厲，努 力拼搏，實(shí)現(xiàn)自己人生的輝煌，借此來(lái)報(bào)答父母，報(bào)答教過我的老師，報(bào)答我們偉大的祖國(guó)。 湯躍進(jìn) MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) 43 參考文獻(xiàn) [1] 林靜，機(jī)械壓力機(jī)故障診斷系統(tǒng)的研制 [D]，廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文， [2] 白勇軍 . 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