j75g-200閉式高速壓力計(jì)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J75G-200閉式高速壓力機(jī)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 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)

3、 </p><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>　　有限元分

4、析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等CAE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。本論文以壓力機(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)行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及模態(tài)分析。 </p><p>　　首先，采用四面體實(shí)體單元建立機(jī)身的三維有限元模型，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定其載荷分布和約束，分析計(jì)算有限元模型，得到機(jī)身的應(yīng)力與應(yīng)變分布規(guī)律。校核

5、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),通過(guò)較傳統(tǒng)的人工優(yōu)化找出了比較合理的結(jié)構(gòu)，用加厚材料來(lái)矯正變形量過(guò)大的問(wèn)題，用去除受力或變形小區(qū)域的材料來(lái)減輕質(zhì)量等。</p><p>　　其次，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)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)。</p><p>　　最后，對(duì)論

6、文的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。</p><p>　　關(guān)鍵詞：壓力機(jī)，有限元分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，模態(tài)分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The application of finite element analysis and structure optimization of CAE technolog

7、y, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. The press frame as the research object, using finit

8、e element analysis software ANSYS as the analysis tool, a structural static analysis and modal analysis, structure optimization design.</p><p>　　First of all，to establish a three-dimensional finite element m

9、odel of the frame using tetrahedron solid element, the press frame structure and force characteristics of the analysis, to determine the load distribution and constraints, calculation and analysis of finite element model

10、, to get the stress and strain distribution. Check the strength and stiffness of body parts, and the structure optimization design based on the analysis of the results, a reasonable structure has been found by artifici&l

11、t;/p><p>　　Secondly, the use of ANSYS Workbench analysis of modal analysis, the natural frequency and the corresponding vibration mode. Understand the modal characteristics of the press and the dynamic characte

12、ristic, has provided the theory basis and the foundation for dynamic design and structure improvement.</p><p>　　Finally, the research contents of the thesis are summarized and prospects.</p><p>

13、　　Keywords: Press, finite element analysis, optimization design, modal analysis</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

14、;p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.1.1國(guó)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.1.2國(guó)內(nèi)壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.2 有限元分析方法2</p><p>　　1.2.1 有限元

15、理論2</p><p>　　1.2.2 有限元分析軟件的簡(jiǎn)介3</p><p>　　1.2.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元運(yùn)用4</p><p>　　1.3 課題來(lái)源及選題的目的和意義4</p><p>　　1.3.1 課題來(lái)源4</p><p>　　1.3.2 選題的目的和意義4</p><

16、;p>　　1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問(wèn)題5</p><p>　　第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析7</p><p>　　2.1 機(jī)身簡(jiǎn)介7</p><p>　　2.2.1 單元類型的選擇8</p><p>　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)的劃分9</p><p>　　2.2.3 邊界條件的施加9</p&

17、gt;<p>　　2.2.4 材料特性11</p><p>　　2.3 計(jì)算結(jié)果分析11</p><p>　　2.3.1 應(yīng)力和變形要求11</p><p>　　2.3.2 應(yīng)力和變形圖形顯示12</p><p>　　2.3.3 應(yīng)力分析14</p><p>　　2.3.4 變形分析15<

18、;/p><p>　　2.4 本章小結(jié)15</p><p>　　第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)16</p><p>　　3.1 優(yōu)化分析16</p><p>　　3.2 優(yōu)化方案一16</p><p>　　3.3 優(yōu)化方案二18</p><p>　　3.4 優(yōu)化方案三20</p>

19、<p>　　3.5 優(yōu)化方案四22</p><p>　　3.6 選擇最佳方案24</p><p>　　3.7 本章小結(jié)25</p><p>　　第四章 機(jī)身的模態(tài)分析26</p><p>　　4.1 模態(tài)分析概述26</p><p>　　4.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)26</p>&l

20、t;p>　　4.1.2 模態(tài)分析原理26</p><p>　　4.2 對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析27</p><p>　　4.2.1 自由模態(tài)分析27</p><p>　　4.2.2 自由模態(tài)描述31</p><p>　　4.2.3 約束模態(tài)分析31</p><p>　　4.2.4 約束模態(tài)描述35</

21、p><p>　　4.3 本章小結(jié)36</p><p>　　第五章 結(jié)論和展望37</p><p><b>　　5.1 結(jié)論37</b></p><p><b>　　5.2 展望37</b></p><p><b>　　致謝39</b></p&

22、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 國(guó)內(nèi)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　機(jī)械行業(yè)是國(guó)民產(chǎn)業(yè)中極其重要的基礎(chǔ)行業(yè)[1]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)壓力機(jī)需求也越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。隨著現(xiàn)代

23、科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械行業(yè)正從以機(jī)器為特征的傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)代向著高速化、高精化和柔性化的信息時(shí)代發(fā)展，即利用當(dāng)代高科技信息來(lái)裝備傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)[2]。我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)高速壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給出優(yōu)化方案。來(lái)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。</p><p>　　1.1.1國(guó)外壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　高速壓力機(jī)的

24、發(fā)展將近有100年的歷史。1900 年德國(guó)的舒勒(SCHULER)壓力機(jī)公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺(tái)自動(dòng)化壓力機(jī)[3]。美國(guó)亨利特公司在 1910 年首創(chuàng)四柱底傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的高速壓力機(jī)，當(dāng)時(shí)稱為 dieing machine[4]。在 1955 年以前該機(jī)為高速壓力機(jī)的代表機(jī)型。以后隨著電機(jī)和電器工業(yè)的發(fā)展，各國(guó)紛紛研制高速壓力機(jī)。1953 年德國(guó)舒勒公司生產(chǎn)出 1250kN 閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)，行程 20mm，行程次數(shù)達(dá)到 150rpm[5]。后

25、來(lái)美國(guó)明斯特（MINSTER）公司推出的 Pulsar 系列超高速壓力機(jī)以及日本會(huì)田公司引進(jìn)瑞士布魯?shù)吕展炯夹g(shù)生產(chǎn)AIDA-BRUDERER系列 BSTA 型高速壓力機(jī)和 PDAL 系列高速壓力機(jī)也均采用了上傳動(dòng)方式，不但提高了動(dòng)態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲[6-7]。隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的革新，壓力機(jī)的品種越來(lái)越多，質(zhì)量越來(lái)越好，壓力越來(lái)越大，精度也越來(lái)越高。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機(jī)的主要國(guó)家都是傳統(tǒng)的制造強(qiáng)國(guó)，其中以日本

26、、美國(guó)和德國(guó)為主?，F(xiàn)在和日本、德國(guó)并稱為世界三大高速壓力機(jī)生產(chǎn)基地[5][8]。世界上已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)生產(chǎn)出最大</p><p>　　1.1.2國(guó)內(nèi)壓力機(jī)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)是上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。目前，生產(chǎn)高速壓力機(jī)的主要廠家有上海第二鍛壓機(jī)床廠、廈門鍛壓機(jī)床有限公司、諸城鍛壓機(jī)床股份有限公司、寧波機(jī)床廠和江蘇揚(yáng)力集團(tuán)等。我國(guó)第一臺(tái)高速壓力

27、機(jī)是在 1982 年由濟(jì)南鑄鍛機(jī)械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機(jī)公稱力為 600KN，最高的速度可達(dá)到 400 次/min。隨后又成功研制了公稱力 300KN，最高速度 600 次/min 的高速精密壓力機(jī)。跨入 21 世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)企業(yè)中徐州鍛壓機(jī)床廠的高速?zèng)_床生產(chǎn)開(kāi)始形成規(guī)模，先后研制成功了 JF75G 系列閉式高速壓力機(jī)和 V H45 開(kāi)式高速精密沖床，其沖壓速度分別達(dá)到 600 次/min 和 1200 次/min[1

28、0]。目前，由于國(guó)內(nèi)材料技術(shù)和機(jī)械加工技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在差距，國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)的發(fā)展也受到了相應(yīng)的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機(jī)的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領(lǐng)域內(nèi)缺乏競(jìng)爭(zhēng)力；國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制與補(bǔ)償技術(shù)還未較好的應(yīng)用于高速壓力機(jī)中，使國(guó)內(nèi)產(chǎn)品精度相對(duì)先進(jìn)技術(shù)較低；由于國(guó)內(nèi)高速壓力機(jī)產(chǎn)品主要通過(guò)引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國(guó)內(nèi)壓力機(jī)品</p><p>　　1.2 有限元分析方法</p>

29、<p>　　1.2.1有限元理論</p><p>　　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(guò)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(lái)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(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。有限元的創(chuàng)立與科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)界需求相關(guān)。1953 年，Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機(jī)翼振

30、動(dòng)時(shí)，將機(jī)翼分成很多片小三角形板，計(jì)算的機(jī)翼結(jié)構(gòu)撓度與小比例模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合是有限元的雛形。1955 年，John H. Argyris 提出矩形單元。1956 年，第一篇有限元文章發(fā)表，正式拉開(kāi)了有限元發(fā)展的歷史[14]。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(lái)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

31、得到了越來(lái)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(wèn)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(kāi)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</p><p>　　1.2.2 有限元分析軟件的簡(jiǎn)介</p><p>　　ANSYS是目前國(guó)際上著名的有限元軟件之一，該軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和藕合場(chǎng)分析于一體。ANS

32、YS廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)研究等眾多領(lǐng)域。</p><p>　　ANSYS作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:</p><p>　　1）數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。</p><p>　　

33、2）強(qiáng)大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYA的GUI(圖形界面)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。</p><p>　　3）強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。</p><p>　　4）強(qiáng)大的非線性功能。ANSYS可以進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。</p><p>　　5）智能網(wǎng)格劃分。ANSYS

34、可根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。</p><p>　　6）良好的優(yōu)化功能。利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，用戶可以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案：利用ANSYS的拓?fù)鋬?yōu)化功能，用戶可以對(duì)模型進(jìn)行外型優(yōu)化，尋求物體對(duì)材料的最佳利用。</p><p>　　7）可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)藕合功能。ANSYS可以研究各物理場(chǎng)間的相互影響。</p><p>　　8）提供與其他程序接口。ANSYS提供了與

35、多數(shù)CAD軟件及有限元分析軟件的接口程序,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。</p><p>　　9）良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。ANSYS開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用APDL、UIDL和UPFS對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。</p><p>　　結(jié)構(gòu)分析是ANSYS功能之一，其中包括：靜力分析(用于分析結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性特性)；模態(tài)分析(計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型)；譜分析(是模態(tài)分析的擴(kuò)展,用

36、于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變)；協(xié)響應(yīng)分析(確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng))；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析(確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)，可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性特性)；特征屈曲分析(用于計(jì)算線性屈曲荷載，并確定屈曲模態(tài)形狀)；專項(xiàng)分析(斷裂分析，復(fù)合材料分析，疲勞分析)等。</p><p>　　1.2.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的有限元運(yùn)用</p><p>　　優(yōu)化

37、設(shè)計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使零部件的的力學(xué)性能得到改善，并獲得理想的結(jié)構(gòu)布局和尺寸大小。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指在預(yù)定目標(biāo)和一組給定幾何和行為約束的范圍內(nèi)，尋求滿足條件的最優(yōu)解。機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法一般可節(jié)省材料7%40%，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視。</p><p>　　機(jī)身是機(jī)床中結(jié)構(gòu)和受力比較復(fù)雜的部件，機(jī)身有限元分析的目的在于提高其承受能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。

38、另外，就整個(gè)機(jī)構(gòu)而言，當(dāng)機(jī)身重量減輕后，整個(gè)機(jī)床重量也隨之降低，從而改善整個(gè)機(jī)床的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。</p><p>　　安全、節(jié)能和環(huán)保是機(jī)床面臨的三大熱點(diǎn)問(wèn)題，如何提高整個(gè)機(jī)床的加工精度是機(jī)床穩(wěn)定性中需要解決的問(wèn)題之一。利用有限元法進(jìn)行機(jī)床加工過(guò)程的模擬計(jì)算，涉及到大變形等非線性問(wèn)題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計(jì)算可以節(jié)省昂貴的實(shí)體實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且在設(shè)計(jì)階段模擬分析是唯一的分析手段，國(guó)內(nèi)、外機(jī)床公司普遍

39、采用這一方法。</p><p>　　1.3 課題來(lái)源及選題的目的和意義</p><p>　　1.3.1 課題來(lái)源</p><p>　　本課題來(lái)源于江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司。J75G-200閉式高速壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)研制的產(chǎn)品。運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)J75G-200閉式高速壓力機(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)量和壽命，

40、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>　　1.3.2 選題的目的和意義</p><p>　　近年來(lái)，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(lái)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(kāi)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(lái)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

41、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(wèn)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(wú)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)。</p><p>　　1.3.3 課題研究的內(nèi)容和解決的問(wèn)題<

42、/p><p><b>　　1）主要內(nèi)容</b></p><p>　　要求運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)J75G-200閉式高速壓力機(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)。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)以達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高經(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)壓力機(jī)工作狀

43、態(tài)的影響。這對(duì)于了解液壓機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性以及進(jìn)而改善其結(jié)構(gòu)有重要的意義，為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。</p><p><b>　　2）技術(shù)要求</b></p><p>　　（1） 要求校核J75G-200型壓力機(jī)在承載條件下的剛度和強(qiáng)度。</p><p>　　（2） 要求在保證液壓機(jī)強(qiáng)度和剛度的條件下對(duì)液壓機(jī)主要部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

44、。</p><p>　　（3） 分析液壓機(jī)的模態(tài)，并對(duì)液壓機(jī)的工作狀況進(jìn)行評(píng)估。</p><p><b>　　3）方案定制</b></p><p>　　（1） 先熟悉和了解Solidwords軟件和ANSYS軟件；</p><p>　　（2） 在Solidwords里畫出J75G-200閉式高速壓力機(jī)的三維模型；&

45、lt;/p><p>　?。?） 將高速壓力機(jī)的模型導(dǎo)入ANSYS軟件；</p><p>　?。?） 添加材料特性：機(jī)底是QT600-3，密度ρ=7120kg/m3；橫梁HT300，密度ρ=7300kg/m3；</p><p>　?。?） 對(duì)單元進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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”原則；</p><p>　?。?） 對(duì)模

46、型選擇自由端和固定端，并添加約束條件；</p><p>　?。?） 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)方向的均布載荷；</p><p>　?。?） 對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析；</p><p>　　（9） 分析壓力機(jī)在加載情況下機(jī)身變形情況以及應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律；</p><p>　?。?0

47、） 對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析優(yōu)化，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響，從而選擇合適的機(jī)身尺寸和材料厚度，盡量減輕機(jī)身的重量；</p><p>　?。?1） 通過(guò)分析結(jié)果，改善應(yīng)力狀況和改變相關(guān)尺寸變量，以減輕總體質(zhì)量，然后進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)剛度和強(qiáng)度，依次重復(fù)以上步驟，直至取得最佳方案。</p><p>　?。?2） 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

48、析其對(duì)工作的狀況的影響；</p><p>　　第二章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析</p><p><b>　　2.1 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)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)，都有直接的影響。機(jī)身分為兩大類：即開(kāi)式機(jī)身和閉式機(jī)身。J75G-2

49、00是閉式高速壓力機(jī)雙電高速精密壓力機(jī)。機(jī)身結(jié)構(gòu)如下圖所示。J75G-200閉式的主要技術(shù)規(guī)格如下：</p><p>　　型 號(hào)： J75G-200</p><p>　　公 稱 壓 力： 2000KN</p><p>　　滑塊行程： 30mm</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)行程次數(shù)： 150~450/min</p>

50、;<p>　　圖2.1 機(jī)身幾何結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.2 有限元模型的建立</p><p>　　在進(jìn)行有限元分析之前，首先需要將分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為便于分析的結(jié)構(gòu)分析模型或力學(xué)模型。為保證全面地反映機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)使有限元模型得到簡(jiǎn)化，確定了下面四條建模原則：</p><p>　　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

51、釘孔、銷孔、圓角等予以簡(jiǎn)化；</p><p>　　2）認(rèn)為焊接質(zhì)量可靠，且不考慮焊接對(duì)各板傳力的影響；</p><p>　　3）將導(dǎo)軌看成自由界面，滑塊與導(dǎo)軌之間無(wú)力的傳遞；</p><p>　　4）地腳螺栓剛度無(wú)限大，不考慮地基及機(jī)身以外部件彈性變形；</p><p>　　圖2.2 壓力機(jī)實(shí)體模型</p><p>

52、　　底座材料QT600-3，密度，彈性模量為1.69E+11N/m2，泊松比為0.286；橫梁材料HT300，密度，，彈性模量為1.43E+11N/m2，泊松比為0.27。</p><p>　　2.2.1 單元類型的選擇</p><p>　　在以往壓力機(jī)機(jī)身的分析中，由于受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，多選用有限元中的梁、板殼單元來(lái)描述機(jī)身的結(jié)構(gòu)。由于機(jī)身各部分具有不同的板厚，因此即使選擇同一單元

53、類型時(shí)，也必須設(shè)置不同的實(shí)常數(shù)來(lái)定義板厚、梁?jiǎn)卧慕孛娉叽纭⑥D(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，若設(shè)置參數(shù)較少，必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)作較大簡(jiǎn)化；若參數(shù)設(shè)置較多，又給單元的劃分增加了計(jì)算量和復(fù)雜程度。同時(shí)，由于板單元和梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)自由度數(shù)不同，因此必須考慮不同類型單元之間連接時(shí)位移的連續(xù)性問(wèn)題，這就需要人工調(diào)整。若人工干預(yù)太大，容易引起單元畸變。因此，用板、梁等單元建立的有限元模型，必將帶來(lái)一定的計(jì)算誤差，特別是對(duì)一些重要的局部區(qū)域，其分析時(shí)誤差較大。</p&

54、gt;<p>　　因此用三維實(shí)體單元來(lái)描述機(jī)身結(jié)構(gòu)，更能反映機(jī)身的實(shí)際情況。在ANSYS軟件里，三維實(shí)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(shí)要求結(jié)構(gòu)規(guī)則，而對(duì)于機(jī)身這類較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行六面體單元的自動(dòng)劃分十分困難。采用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu)，單元?jiǎng)澐直容^靈活，可以逼近較復(fù)雜的幾何形狀。因此，本文計(jì)算時(shí)，采用單元sohd45，該單元為四面體8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元，每節(jié)點(diǎn)有三個(gè)移動(dòng)自由度，同時(shí)指定單元

55、邊長(zhǎng)，這樣可以得到比較均勻的單元，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。</p><p>　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)的劃分</p><p>　　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(guò)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

56、尺寸選擇為60mm，精度為100，畸變度選擇0.3。網(wǎng)格劃分后共產(chǎn)生65451個(gè)單元，118025個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　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(wú)結(jié)果!有很多方法來(lái)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)

57、值在0 (極好的) 到1 (無(wú)法接受之間的比例因子。劃分網(wǎng)格后的機(jī)身如圖2-3所示。</p><p>　　圖2.3 機(jī)身網(wǎng)絡(luò)劃分</p><p>　　2.2.3 邊界條件的施加</p><p><b>　　1）載荷的施加</b></p><p>　　本設(shè)備的公稱壓力是2000KN，但由于實(shí)際應(yīng)用中載荷并不是由零緩慢增加，

58、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2400KN。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(guò)加載到半軸上的載荷通過(guò)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。

59、</p><p>　　2）工作臺(tái)及曲軸支撐孔上載荷的處理</p><p>　　工作臺(tái)上的壓力，工作臺(tái)面積是。由公式，得工作臺(tái)所受壓力為。右側(cè)曲軸支撐孔受到向上的力，。利用余弦公式計(jì)算支撐孔的不均勻受力，。中間兩個(gè)曲軸支撐孔受到向上的力，，。左側(cè)曲軸支撐孔受到向上的力，。。在Workbench進(jìn)行有限元分析時(shí)，將載荷按照計(jì)算結(jié)果施加在曲軸支撐孔，看機(jī)身的受力和變形情況。</p>

60、<p><b>　　3）邊界約束條件</b></p><p>　　J75G-200是閉式高速壓力機(jī)機(jī)座的邊界約束條件是通過(guò)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)。外力載荷及邊界約束如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 外力載荷及邊界約束</p><p>　　2.2.4 材料特性</p>&l

61、t;p>　　機(jī)身為QT600-3和HT300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)》，QT600-3鋼的彈性模量E為169Gpa，泊松比μ為0.286，QT600-3鋼的密度取ρ= 7120kg/m3。HT300鋼的彈性模量E為143Gpa，泊松比μ為0.27，QT600-3鋼的密度取ρ= 7300kg/m3。</p><p>　　2.3 計(jì)

62、算結(jié)果分析</p><p>　　2.3.1 應(yīng)力和變形要求</p><p>　?。?） 變形要求：；；。</p><p>　?。?） 要求:材料為球墨鑄鐵和灰鑄鐵，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服。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)度理論未考慮主應(yīng)力影響，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(qiáng)度理論考慮

63、了注意力的影響，而且和實(shí)驗(yàn)較符合，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Von Mises 等效應(yīng)力）來(lái)評(píng)價(jià)。</p><p>　　第四強(qiáng)度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料部發(fā)生破壞的條件是：</p><p><b>　　[]</b></p><p>　　[]——許用應(yīng)力， </p

64、><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QT600-3，=370MPa</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，底座[]=/安全系數(shù)=370/1.47=252MPa，橫梁[]=/安全系數(shù)=

65、300/1.47=204MPa.</p><p>　　而我們所要的應(yīng)力要求是：</p><p>　　2.3.2 應(yīng)力和變形圖形顯示</p><p>　　1）Von Mises應(yīng)力等值線圖（單位：MPa，以下相同）</p><p>　　圖2.5 應(yīng)力等值線圖</p><p>　　2）X方向變形圖（單位：mm，以下相同

66、）</p><p>　　圖2.6 X方向變形圖</p><p><b>　　3）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖2.7 Y方向變形圖</p><p><b>　　4）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖2.8 z方向變形圖</p>&l

67、t;p><b>　　5）總變形圖</b></p><p>　　圖2.9 總變形圖</p><p>　　2.3.3 應(yīng)力分析</p><p>　　由Von Mises應(yīng)力等值線圖可以看到，最大應(yīng)力為43.012MPa，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。其中這是前面已經(jīng)計(jì)算過(guò)了的，應(yīng)力滿足條件。</p>

68、<p>　　2.3.4 變形分析</p><p>　　由變形圖可以看到最大變形量是0.21457mm，X方向的最大變形量是0.080341mm，Y方向的最大變形量是0.21448mm，Z方向的最大變形量是0.032461mm。最小變形量是0mm。變形要求：；；。都是滿足要求的。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p>&

69、lt;p>　　本章主要內(nèi)容是詳細(xì)介紹在設(shè)計(jì)過(guò)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，約束的施加以及用分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析并得出結(jié)論。</p><p>　　本章介紹了模型建立過(guò)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(guò)程。在有限元分析得出分析圖之后，通過(guò)XYZ三個(gè)方向的變形以及應(yīng)力圖，來(lái)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

70、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(wèn)題考慮在內(nèi)。</p><p>　　第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)</p><p><b>　　3.1 優(yōu)化分析</b></p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，正規(guī)的設(shè)計(jì)方法，往往取決于各種因素的作

71、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。</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，并滿足應(yīng)力和變形要求：應(yīng)力：[]≤204MPa。變形：δx≤0.25mm δy≤0.25mm δz≤0.25mm。</p>

72、<p><b>　　3.2 優(yōu)化方案一</b></p><p>　　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，最大程度地減少材料。所以此優(yōu)化方案是減小軸承孔面的厚度。兩邊的軸承孔面由125mm減到了100mm，中間兩個(gè)面由150mm減到了100mm。</p><p>　　1）Von Mises

73、應(yīng)力等值線圖</p><p>　　圖3.1 應(yīng)力等值線圖</p><p><b>　　2）X方向變形圖</b></p><p>　　圖3.2 X方向變形圖</p><p><b>　　3）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖3.3 Y方向變形圖</p>

74、<p><b>　　4）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖3.4 Z方向變形圖</p><p><b>　　5）總變形圖</b></p><p>　　圖3.5 總變形圖</p><p>　　優(yōu)化方案一中通過(guò)板厚的調(diào)整，減少了很多材料。X方向和Z方向變化非常小，Y方向變形略

75、微增大，最大應(yīng)力43.626MPa滿足要求，總變形為0.2338mm滿足要求。</p><p><b>　　3.3 優(yōu)化方案二</b></p><p>　　在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)上，減少底座工作臺(tái)的面積和并且對(duì)底座部分挖空。</p><p>　　1）Von Mises 應(yīng)力等值線圖</p><p>　　圖3.6 應(yīng)力等值線

76、圖</p><p><b>　　2）X方向變形圖</b></p><p>　　圖3.7 X方向變形圖</p><p><b>　　3）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖3.8 Y方向變形圖</p><p><b>　　4）Z方向變形圖</b>

77、;</p><p>　　圖3.9 Z方向變形圖</p><p><b>　　5）總變形圖</b></p><p>　　圖3.10 總變形圖</p><p>　　優(yōu)化方案二對(duì)底座的工作太和局部挖空，但是XYZ方向變形不大，最大應(yīng)力也變化不大。最大應(yīng)力為44.537MPa，滿足要求?？傋冃螢?.23556mm，滿足要求。

78、并且省了很多材料。</p><p><b>　　3.4 優(yōu)化方案三</b></p><p>　　在優(yōu)化方案二的基礎(chǔ)上，減少軸承孔板面的面積，切除250mm的厚度的板面。</p><p>　　1）Von Mises 應(yīng)力等值線圖</p><p>　　圖3.11 應(yīng)力等值線圖</p><p><

79、;b>　　2）X方向變形圖</b></p><p>　　圖3.12 X方向變形圖</p><p><b>　　3）Y方向變形圖</b></p><p>　　圖3.13 Y方向變形圖</p><p><b>　　4）Z方向變形圖</b></p><p>　

80、　圖3.14 Z方向變形圖</p><p><b>　　5）總變形圖</b></p><p>　　圖3.15 總變形圖</p><p>　　經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案三的步驟后，最大應(yīng)力達(dá)到44.341MPa，應(yīng)力滿足要求。XYZ三個(gè)方向變形都變大，總變形達(dá)到0.25648mm，變形不滿足要求。</p><p><b>

81、　　3.5 優(yōu)化方案四</b></p><p>　　要減少方案三的變形，將曲軸支撐孔加厚并且在上部分設(shè)立加強(qiáng)筋。</p><p>　　1) Von Mises 應(yīng)力等值線圖</p><p>　　圖3.16 應(yīng)力等值線圖</p><p><b>　　2) X方向變形圖</b></p><p

82、>　　圖3.17 X方向變形圖</p><p><b>　　3) Y方向變形圖</b></p><p>　　圖3.18 Y方向變形圖</p><p><b>　　4）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖3.19 Z方向變形圖</p><p><b&g

83、t;　　5）總變形圖</b></p><p>　　圖3.20 總變形圖</p><p>　　優(yōu)化方案四，使最大應(yīng)力變45.294MPa，小于許用應(yīng)力，三個(gè)方向的變形小于許用變形，總變形變?yōu)?.24860mm，滿足要求。可以看出機(jī)身剛度變大，同時(shí)減小了質(zhì)量，優(yōu)化方案四不錯(cuò)。</p><p>　　3.6 選擇最佳方案</p><p>

84、;　　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3.1所示。</p><p>　　表3.1 優(yōu)化方案數(shù)據(jù)</p><p>　　經(jīng)過(guò)比較得知，方案三節(jié)省的材料最多，但是變形較其它的方案要大，最大變形超過(guò)許用變形，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)化方案四的材料節(jié)省量比較多，并且計(jì)算出來(lái)的最大應(yīng)力和最大變形都小于許用應(yīng)力和許用變形，很安全。

85、方案一和方案二的最大變形都比較小，偏安全。因而從降低成本的角度考慮，原則上選擇優(yōu)化方案四。</p><p><b>　　3.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　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

86、后的壓力機(jī)機(jī)身雖然變形有所增大，但最大變形還是符合要求的。最大應(yīng)力沒(méi)有太大的變化。改進(jìn)后的箱體重量降低3.27t , 可以較大地降低成本, 大大提高經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是要掌握設(shè)計(jì)方法，做到胸有成竹，不僅能提高效率，而且可以保證設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。</p><p>　　第四章 機(jī)身的模態(tài)分析</p><p>　　4.1 模態(tài)分析概

87、述</p><p>　　4.1.1 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)</p><p>　　模態(tài)分析為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)核心，其目的就是利用了模態(tài)變換矩陣將耦合的復(fù)雜自由度系統(tǒng)解耦成一系列的單自由度系統(tǒng)振動(dòng)的線性疊加，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，振動(dòng)故障診斷及動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。</p><p>　　線性的振動(dòng)系統(tǒng)按照自身的某階固有頻率做自由諧振即是系統(tǒng)的模態(tài)，而振型則指的是整個(gè)系

88、統(tǒng)會(huì)有確定振動(dòng)形態(tài)。模態(tài)向量就是描述這類振動(dòng)形態(tài)的向量，“加權(quán)正交性”是其一個(gè)重要的特性。 </p><p>　　模態(tài)分析即為利用系統(tǒng)的固有模態(tài)正交性，將系統(tǒng)各階的模態(tài)向量所組成的模態(tài)矩陣當(dāng)做變換矩陣，選取其中的物理坐標(biāo)線性變換，最終將振動(dòng)系統(tǒng)利用物理參數(shù)及物理坐標(biāo)所描述、耦合成的運(yùn)動(dòng)方程組，變成用模態(tài)參數(shù)及模態(tài)坐標(biāo)所描述的相互獨(dú)立的一組方程組，便于計(jì)算求解。經(jīng)過(guò)這樣一種線性的變換過(guò)程，原有的物理坐標(biāo)中的系統(tǒng)對(duì)于

89、任意激勵(lì)后的響應(yīng)，就能視作系統(tǒng)的各階模態(tài)線性組合，所以模態(tài)分析也稱為模態(tài)疊加。各階模態(tài)坐標(biāo)的響應(yīng)就決定了各階模態(tài)在疊加后所占有的比重或者加權(quán)系數(shù)。通常來(lái)說(shuō)，高階的模態(tài)比低階的模態(tài)加權(quán)系數(shù)小很多，一般只須選擇前面幾階的模態(tài)進(jìn)行疊加就可滿足精度要求。</p><p>　　4.1.2 模態(tài)分析原理</p><p>　　模態(tài)分析是一種確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的技術(shù)，包括自然頻率，振型，模態(tài)參與系數(shù)（在某個(gè)

90、方向某個(gè)振型的貢獻(xiàn)大?。?。模態(tài)分析是所有動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。模態(tài)分析的工程應(yīng)用，是設(shè)計(jì)可以避開(kāi)共振或使結(jié)構(gòu)在某一指定的頻率處振動(dòng)（如揚(yáng)聲器）；使工程人員能夠意識(shí)到對(duì)于不同的動(dòng)力載荷，結(jié)構(gòu)式如何進(jìn)行響應(yīng)的；對(duì)于其它動(dòng)力學(xué)分析有助于求解控制參數(shù)的確定（時(shí)間步長(zhǎng)等）。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。</p><p>　　振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的

91、特性。通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)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</p><p>　　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(wèn)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

92、工程中的振動(dòng)問(wèn)題。</p><p>　　4.2 對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析</p><p>　　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)身的震動(dòng)響應(yīng)，需要對(duì)機(jī)身進(jìn)行自由模態(tài)分析。</p><p>　　通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)機(jī)身進(jìn)行自由模態(tài)分析，去除前六階剛性模態(tài)，圖4-1至圖4-10是機(jī)身自由模態(tài)分析

93、的第一階模態(tài)到第十階模態(tài)的振型。</p><p>　　4.2.1 自由模態(tài)分析</p><p>　　圖4.1 一階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.2 二階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.3 三階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.4 四階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.5

94、五階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.6 六階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.7 七階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.8 八階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.9 九階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.10 十階模態(tài)振型</p><p>　　4.2.2 自由模態(tài)描述&l

95、t;/p><p>　　第一階振型是機(jī)身在Y方向扭轉(zhuǎn)。</p><p>　　第二階振型是機(jī)身在X方向左右擺動(dòng)。</p><p>　　第三階振型是機(jī)身底座在Y方向扭轉(zhuǎn)。</p><p>　　第四階振型是機(jī)身在Y方向扭轉(zhuǎn)。</p><p>　　第五階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)。</p><p

96、>　　第六階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)。</p><p>　　第七階振型是機(jī)身在Y方向扭轉(zhuǎn)。</p><p>　　第八階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)。</p><p>　　第九階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)。</p><p>　　第十階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)。<

97、;/p><p>　　表5.1 無(wú)約束各階模態(tài)固有頻率</p><p>　　4.2.3 約束模態(tài)分析</p><p>　　對(duì)機(jī)身的底座加以固定，然后對(duì)機(jī)身進(jìn)行約束模態(tài)分析，對(duì)振型和頻率進(jìn)行研究，避開(kāi)某個(gè)頻率范圍。</p><p>　　圖4.11 一階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.12 二階模態(tài)振型</p>

98、;<p>　　圖4.13 三階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.14 四階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.15 五階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.16 六階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.17 七階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.18 八階模態(tài)振型</p><

99、p>　　圖4.19 九階模態(tài)振型</p><p>　　圖4.20 十階模態(tài)振型</p><p>　　4.2.4 約束模態(tài)描述</p><p>　　第一階振型是機(jī)身橫梁在X方向左右擺動(dòng)。</p><p>　　第二階振型是機(jī)身橫梁在Z方向左右擺動(dòng)。</p><p>　　第三階振型是機(jī)身橫梁在Y方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)。<

100、;/p><p>　　第四階振型是機(jī)身橫梁在Y方向上下移動(dòng)。</p><p>　　第五階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在Y方向上下跳動(dòng)。</p><p>　　第六階振型是機(jī)身橫梁在Z方向左右擺動(dòng)。</p><p>　　第七階振型是橫梁頂部?jī)蓚?cè)在Y方向上下跳動(dòng)。</p><p>　　第八階振型是機(jī)身橫梁頂部Y方向扭轉(zhuǎn)。</p&g

101、t;<p>　　第九階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在Y方向上下跳動(dòng)。</p><p>　　第十階振型是機(jī)身橫梁頂部?jī)蓚?cè)在XY平面某個(gè)方向跳動(dòng)</p><p>　　表5.2有約束各階模態(tài)固有頻率</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)壓力機(jī)機(jī)身的最優(yōu)方案進(jìn)行模態(tài)分析，可以找

102、出一到十階機(jī)身的固有頻率，對(duì)于裝配件的固有頻率或者工作中實(shí)際的頻率要避開(kāi)這個(gè)頻率范圍，防止產(chǎn)生共振，導(dǎo)致機(jī)身毀壞。從各振型的振動(dòng)形態(tài)中還能看出變形和扭曲嚴(yán)重的部位，時(shí)間長(zhǎng)了以后，這些部位容易發(fā)生折斷或者裂開(kāi)。有的振型發(fā)生扭轉(zhuǎn)和彎曲，會(huì)影響模具的壽命和加工質(zhì)量。從振態(tài)的形狀我們可以知道在某個(gè)自然共振頻率下，結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)。若要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛性，你可以從這些較弱的部分來(lái)加強(qiáng)。比如說(shuō)一個(gè)高樓的設(shè)計(jì)，如果經(jīng)過(guò)模態(tài)分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)，最低頻的振態(tài)是在整個(gè)

103、高樓的扭轉(zhuǎn)方向，那表示這個(gè)方向的剛度是首先需加強(qiáng)的部分。知道了這些，我們可以想辦法改進(jìn)機(jī)身設(shè)計(jì)，可以防止長(zhǎng)時(shí)間以后機(jī)身出現(xiàn)裂紋，這樣還能延長(zhǎng)模具的壽命和加工質(zhì)量。</p><p><b>　　第五章 結(jié)論和展望</b></p><p><b>　　5.1 結(jié)論</b></p><p>　　以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的先進(jìn)技術(shù)，已成

104、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。CAE 技術(shù)日益成為工程設(shè)計(jì)和分析人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、替代物理模型的有力工具。本課題以有限元軟件 workbench為工具平臺(tái)，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元靜態(tài)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模態(tài)，在完成課題的工作中，主要得出以下幾方面的結(jié)論：</p><p>　　（1）通過(guò)對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)分析后發(fā)現(xiàn)，機(jī)身的高應(yīng)力區(qū)集中在曲軸支撐孔上端。</p>&l

105、t;p>　?。?）分析機(jī)身各結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)身應(yīng)力、位移的影響程度。發(fā)現(xiàn)增加曲軸支撐孔的厚度和在支撐孔頂部添加加強(qiáng)筋能降低機(jī)身的最大應(yīng)力、機(jī)身最大位移和最大Y向位移。但當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí)，降低幅度變得很小。</p><p>　?。?）在模態(tài)分析中發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)下的機(jī)身剛度較好的結(jié)構(gòu)，在動(dòng)態(tài)下卻變得比較薄弱，比如橫梁頂部?jī)蓚?cè)，因此對(duì)于那些在靜態(tài)下剛度比較好的結(jié)構(gòu)（或?qū)τ陟o態(tài)剛度影響不大的結(jié)構(gòu)）不能去掉，需要進(jìn)一步做動(dòng)

106、態(tài)分析。</p><p>　?。?）對(duì)機(jī)身做靜態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化方案四種機(jī)身重量減輕了3.27 t，機(jī)身的靜態(tài)質(zhì)量性能得到全面的提高，同時(shí)也降低了重量，具有重要的價(jià)值。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>　　在對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，提出了一些分析數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案，得出一系列結(jié)論，對(duì)

107、于今后的機(jī)床機(jī)身設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，但由于各方面的原因，致使研究工作存在諸多不足之處，今后將重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究和改進(jìn)：</p><p>　?。?）在壓力機(jī)的靜態(tài)和模態(tài)分析中，有限元模型的建立及其修正問(wèn)題，在條件允許下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)上確立有限元模型與壓力機(jī)實(shí)際工作的吻合程度。</p><p>　?。?）壓力機(jī)作為一個(gè)系統(tǒng)工程，機(jī)身僅僅是作為其一小部分，其各項(xiàng)分析須服務(wù)于整體

108、，不能將其獨(dú)立出來(lái)。以模態(tài)分析為例，其機(jī)身的模態(tài)特征與整體存在一定的差異，但機(jī)身作為壓力機(jī)主要承力部分，其特征必然影響整體。故在本課題以后的研究中需增強(qiáng)與整體設(shè)計(jì)的連接與溝通。</p><p>　　（3）有限元分析作為一門綜合性學(xué)科,其分析精度并不與機(jī)時(shí)成正比,如何在保證計(jì)算精度的同時(shí)減少分析成本,是在以后的研究工作中需要加強(qiáng)。</p><p>　　（4）本課題在質(zhì)量?jī)?yōu)化、局部應(yīng)力優(yōu)化的基

109、礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的局部修改優(yōu)化機(jī)身的動(dòng)態(tài)性能。在時(shí)間、精度上得到保證,但如何使其效果得到進(jìn)一步的提高,是下一步階段所要著力考慮的。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　近三個(gè)月時(shí)間的畢業(yè)課程設(shè)計(jì)是本人大學(xué)生活中很有意義的一段時(shí)光。這里有治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)而又親切的老師，互相幫助的同學(xué)，更有積極、向上、融洽的學(xué)習(xí)生活氛圍。短短的時(shí)間里，我學(xué)到了很多東西。

110、借此論文，向所有幫助、關(guān)心、支持我的老師、同學(xué)、朋友們，表達(dá)我最真誠(chéng)的謝意。</p><p>　　首先，感謝鄭老師，本設(shè)計(jì)是在鄭老師的耐心指導(dǎo)下多次修改完成的。在此，對(duì)她的幫助表達(dá)我最真誠(chéng)的謝意。</p><p>　　其次，感謝帶畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)長(zhǎng)，平時(shí)遇到問(wèn)題總是會(huì)去麻煩他們，但是他們總會(huì)不厭其煩地悉心指導(dǎo)，知道我理解為止。</p><p>　　最后，感謝我的同學(xué)。當(dāng)

111、在畢業(yè)設(shè)計(jì)碰到問(wèn)題和沮喪的時(shí)候，是她們?cè)谀刂С郑黄鹋ν瓿僧厴I(yè)設(shè)計(jì)。</p><p>　　總之，在以后的學(xué)習(xí)、工作、生活中，本人將繼續(xù)努力，不讓別人失望。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　朱森第.我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升[R].開(kāi)發(fā)研究，2009(1)：6-11</p><p>

112、　　肖燕.信息化為現(xiàn)代制造業(yè)驅(qū)動(dòng)未來(lái)[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2011(2)：99-104</p><p>　　張進(jìn).多連桿機(jī)械式壓力機(jī)動(dòng)力學(xué)分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012</p><p>　　劉運(yùn)璽.HD-200高速壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真及其機(jī)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].山東：山東大學(xué)，2013</p><p>　　張益鋒，夏亮，詹俊勇.J75G-2

113、00型閉式高速精密壓力機(jī)機(jī)身分析[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，11(1)</p><p>　　陳正中.高速精密壓力機(jī)特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓機(jī)械，1998，32(5)：8-9</p><p>　　張寶瑋.中國(guó)鍛壓技術(shù)及裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械工人（熱加工），2003，53(4)：41-43</p><p>　　蔣舒.高速精密壓力機(jī)精度分析與

114、試驗(yàn)研究.[D].江蘇：東南大學(xué)，2010</p><p>　　周曉平.板沖壓力機(jī)及其自動(dòng)沖壓線[J].一重技術(shù)，1993(4)：69-74</p><p>　　管培鵬.高速壓力機(jī)多體動(dòng)力學(xué)研究及仿真[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012</p><p>　　王磊.高速壓力機(jī)的精度分析與研究.[D].江蘇：東南大學(xué)，2007</p><p>

115、;　　黃才元，宋志強(qiáng).中國(guó)鍛壓機(jī)床的現(xiàn)在和未來(lái)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù).2006，2，12-17</p><p>　　趙升噸，張學(xué)來(lái)，高長(zhǎng)宇等.高速壓力機(jī)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2005</p><p>　　王華瑜，初克建.土木工程有限元程序現(xiàn)狀與發(fā)展[R].山東：山東省龍口市金泰規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司；北京天圓泰工程造價(jià)咨詢有限公司，2011</p>