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)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 MC80 型雙主機(jī)大梁沖機(jī)身結(jié)構(gòu) </p><p>　　有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì) </p&

2、gt;<p>　　學(xué) 生 姓 名 </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 3 日 </p><p><b>　　中文摘要</b></p><p>　　隨著各種結(jié)構(gòu)分析理論和優(yōu)

4、化設(shè)計(jì)理論的提出與成熟，結(jié)合迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)床企業(yè)對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)、類比、靜態(tài)的設(shè)計(jì)階段，向動(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。應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件對(duì)壓力機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，在壓力機(jī)機(jī)架滿足足夠的強(qiáng)度和剛度條件下，品縮短產(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。為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和壽命降

5、低產(chǎn)成本提供科學(xué)計(jì)算分析的依據(jù)從而能夠增強(qiáng)其產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。其主要內(nèi)容如下：</p><p>　　對(duì)MC80型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模；</p><p>　　了解MC80壓力機(jī)工作性質(zhì)和工作狀態(tài)；對(duì)其進(jìn)行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案；</p><p>　　劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響；&

6、lt;/p><p>　　對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，求解機(jī)身固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響。；</p><p>　　根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域采取措施改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，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。 </p><p>　　6.

7、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：壓力機(jī)，有限元分析，ANSYS，優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the proposal and maturation of all kinds of structural analysis and optimum

8、design theory, as well as the rapid development of computer technology, the design of the structure of machine tools in our country’s machine tool enterprises has also transited from the period of traditional, analog and

9、 static design to the period of dynamically optimum. Using ANSYS FEM software, body of MC80 press, three-dimensional model of is made. Application of ANSYS finite element analysis software for static</p><p>

10、　　for the 3D solid modeling of MC80 press frame;</p><p>　　understanding of MC80 press the nature of the work and work state; analysis of the work load, boundary conditions and loading scheme;</p><

11、p>　　mesh, static finite element analysis, the stress and strain distribution of the fuselage, impact load on working performance;</p><p>　　the free modal analysis on the model, solving the natural frequen

12、cies and corresponding vibration modes of dynamic parameters, and analyzes its influence on the working condition of the. ;</p><p>　　according to the analysis results, the stress concentration risk areas to

13、take measures to improve the stress condition; in the low stress area, changing the size variables, in order to reduce the overall quality of components of the objective. Re for finite element analysis, test after changi

14、ng the size of stiffness and strength. The above steps are repeated, until obtaining the best scheme.</p><p>　　The research content of this dissertation is summarized and prospect.</p><p>　　Keyw

15、ords: press machine ，finite element analysis ，ANSYS，optimization design</p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><

16、p>　　1.1壓力機(jī)的發(fā)展與綜述1</p><p>　　1.1.1壓力機(jī)的綜述1</p><p>　　1.1.2我國(guó)壓力機(jī)的概況2</p><p>　　1.2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段</p><p>　　1.2.1本課題的來源2</p><p>　　1.2.2要研究和解決的問題2<

17、;/p><p><b>　　1.3本章小結(jié)3</b></p><p>　　第二章 有限單元法4</p><p>　　2.1有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀4</p><p>　　2.2 ANSYS軟件簡(jiǎn)介8</p><p>　　2.3 有限元基本思想6</p><p>　　2.4

18、本章小結(jié)10</p><p>　　第三章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析11</p><p>　　3.1機(jī)身簡(jiǎn)介11</p><p>　　3.2幾何模型的建立11</p><p>　　3.2.1單元的選擇與劃分12</p><p>　　3.3邊界條件的施加13</p><p>　　3.3.1

19、載荷的施加13</p><p>　　3.3.2邊界約束條件14</p><p>　　3.4材料特性14</p><p>　　3.5計(jì)算結(jié)果分析14</p><p>　　3.5.1應(yīng)力和變形要求：14</p><p>　　3.5.2應(yīng)力圖形顯示16</p><p>　　3.5.3變形圖

20、顯示16</p><p>　　3.5.4應(yīng)力分析18</p><p>　　3.5.5變形分析18</p><p>　　3.6本章小結(jié)18</p><p>　　第四章 機(jī)身結(jié)的構(gòu)優(yōu)化19</p><p>　　4.1優(yōu)化分析19</p><p>　　4.2優(yōu)化方案一：19</p

21、><p>　　4.2.1實(shí)體模型圖19</p><p>　　4.2.2應(yīng)力圖顯示20</p><p>　　4.2.3變形圖顯示20</p><p>　　4.3優(yōu)化方案二：22</p><p>　　4.3.1實(shí)體模型圖23</p><p>　　4.3.2應(yīng)力圖顯示23</p>

22、<p>　　4.3.3變形圖顯示24</p><p>　　4.4優(yōu)化方案三：26</p><p>　　4.4.1實(shí)體模型圖26</p><p>　　4.4.2應(yīng)力圖顯示27</p><p>　　4.4.3變形圖顯示27</p><p>　　4.5結(jié)果表格30</p><p&g

23、t;　　4.6本章小結(jié)31</p><p>　　第五章 壓力機(jī)的模態(tài)分析32</p><p>　　5.1模態(tài)分析概念32</p><p>　　5.2模態(tài)分析的作用32</p><p>　　5.3模態(tài)分析的的方法與步驟32</p><p>　　5.3.1模態(tài)分析的的方法32</p><p

24、>　　5.3.2模態(tài)分析的的步驟34</p><p>　　5.4機(jī)身的模態(tài)分析34</p><p>　　5.5本章小結(jié)40</p><p>　　第六章 結(jié)論與展望41</p><p><b>　　致謝42</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)43</b&

25、gt;</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1壓力機(jī)的發(fā)展與概況</p><p>　　1.1.1壓力機(jī)的綜述</p><p>　　裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)提供生產(chǎn)技術(shù)裝備的制造業(yè),是制造業(yè)的核心組成部分,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展特別是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。在裝備制造業(yè)中,鍛壓制造是目前全世

26、界應(yīng)用最為廣泛的制造方法之一。而在鍛壓機(jī)械中,機(jī)械壓力機(jī)又占有很大的比重。眾所周知,由于采用現(xiàn)代化的鍛壓工藝生產(chǎn)工件具有生產(chǎn)效率高,材料利用率高和改善了制件的內(nèi)部組織及力學(xué)性能,質(zhì)量好,能量省和成本低的優(yōu)點(diǎn)。幾十年來,機(jī)械壓力機(jī)廣泛應(yīng)用于沖裁,落料,彎曲,折邊,拉伸及其他冷沖壓工序,是汽車,摩托車,家用電器,儀器儀表,輕工,國(guó)防工業(yè),化工容器,電子等行業(yè)必備的關(guān)鍵設(shè)備。所以,工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家越來越多地采用鍛壓工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削工藝和其他工

27、藝。伴隨著工業(yè)的發(fā)展,壓力機(jī)的種類和數(shù)量越來越多,質(zhì)量要求越來越大,能力越來越大,它在制造業(yè)和其它相關(guān)行業(yè)中的作用日趨顯著[1]。</p><p>　　機(jī)械壓力機(jī)是鍛壓機(jī)械中的一種，是用曲柄連桿或肘桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，其工作平穩(wěn)、工作精度高、操作條件好、生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，適于在自動(dòng)線上工作，在數(shù)量上居各類鍛壓機(jī)械之首。其中開式壓力機(jī)具有開式床身，工作臺(tái)在三個(gè)方向都是敞開的，裝卸模具和操

28、作都比較方便，同時(shí)為機(jī)械化和自動(dòng)化創(chuàng)造了條件；但開式壓力機(jī)因?yàn)槠浯采沓蔆形，工作時(shí)變形大，剛性較差，而床身的強(qiáng)度、剛度將直接影響到零件加工精度、床身導(dǎo)軌的磨損和模具的壽命等。因此如何優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)，提高開式壓力機(jī)床身的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)又能降低床身的結(jié)構(gòu)重量，對(duì)于開式壓力機(jī)床身設(shè)計(jì)尤為重要。另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，壓力機(jī)正向大噸位、高精度和高速度發(fā)展。例如，德國(guó)穆勒.萬(wàn)加頓公司開發(fā)的螺旋壓力機(jī)最大噸位達(dá)到25000噸；一些冷精鍛加

29、工精度可0.02～0.05毫米；滑塊行程較快的可達(dá)到3000～4000次/分。要保證這些大噸位、高精度和高速壓力機(jī)的正常工作，首先應(yīng)該在設(shè)計(jì)壓力機(jī)床身時(shí)必須保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)考慮工作時(shí)的壓力機(jī)的振動(dòng)情況。</p><p>　　1.1.2我國(guó)壓力機(jī)的概況</p><p>　　目前我國(guó)壓力機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)至今大多沿用經(jīng)驗(yàn)、類比的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的床身不僅性能差，結(jié)構(gòu)笨重，速度、精度提

30、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)無法與國(guó)外壓力機(jī)相抗衡。隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)的機(jī)床制造企業(yè)的形勢(shì)將變得更加嚴(yán)峻，并面臨更為強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，為此，中國(guó)的壓力機(jī)制造企業(yè)必須改變?cè)械膫鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造手段作為技術(shù)支撐，來提高我國(guó)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平，在新的市場(chǎng)環(huán)境中積極參與競(jìng)爭(zhēng)。隨著CAD/CAM/CAE技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，有限元方法等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法已為工程技術(shù)設(shè)

31、計(jì)人員廣為認(rèn)識(shí)和發(fā)展，在機(jī)床設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段</p><p>　　1.2.1本課題的來源</p><p>　　本課題來源于江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司。MC80型壓力機(jī)是該公司根據(jù)市場(chǎng)需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運(yùn)用有限元分析技術(shù)對(duì)MC80型壓力機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并給

32、出優(yōu)化方案。通過本課題的研究,為提高壓力機(jī)產(chǎn)品的性能，質(zhì)量和壽命，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>　　1.2.2要研究和解決的問題</p><p>　　要求運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)MC80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)。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

33、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)液壓機(jī)工作狀態(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，為液壓機(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>　　對(duì)MC80型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模；</p><p>　　了解MC80型壓力機(jī)工作性質(zhì)和工作狀態(tài)；對(duì)其進(jìn)行工作載荷分析，確定邊界條件及加載

34、方案； </p><p>　　劃分網(wǎng)格，進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機(jī)身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律，評(píng)價(jià)載荷對(duì)壓力機(jī)工作性能的影響；</p><p>　　對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，求解機(jī)身固有頻率以及相應(yīng)的振型等動(dòng)態(tài)參數(shù)，分析其對(duì)工作狀況的影響。</p><p>　　根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險(xiǎn)區(qū)域采取措施改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，改變相關(guān)尺寸變量，以達(dá)到減輕部件總體

35、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。</p><p><b>　　1.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了這一次科學(xué)研究的對(duì)象：壓力機(jī)。在這一章節(jié)中，我們介紹了他的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，針對(duì)它的實(shí)用性，我們對(duì)此再次就行優(yōu)化設(shè)計(jì)以求得到更好的效果。在這一章中，我們對(duì)研究目的和方法作了說明，在下

36、面的章節(jié)中，我們會(huì)具體進(jìn)行分析和改進(jìn)。</p><p>　　第二章 有限單元法</p><p>　　2.1有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　有限元法作為一種數(shù)值計(jì)算方法，它的產(chǎn)生和發(fā)展卻是首先在工程應(yīng)用中取得突破。固體力學(xué)中最早采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的是桿系結(jié)構(gòu)力學(xué) ，以桿件為單元 ，稱為矩陣位移法，它為有限元理論提供了思路。有限元法基本思想的提出，可以追溯

37、到 Courant 在1943 年的工作 ，Courant 第一次應(yīng)用定義在三角區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù) 和最小位能原理來求解 St .Venant 扭轉(zhuǎn)問題。開始涉及有限元的概念。 1954 年，Argris J．H．用系統(tǒng)的最小勢(shì)能原理得到了系統(tǒng)的剛度矩陣，使已經(jīng)成熟的桿件矩陣位移法可以用來分析連續(xù)介質(zhì) 。1955 年美國(guó)波音飛機(jī)制造公司的TurnerM.L 和Clough.R ，W ，在分析大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，第一次采用直接剛度法給出了用

38、三角形單元求解平面應(yīng)力問題的正確解答，并導(dǎo)出了其單元?jiǎng)偠染仃嚕l(fā)展成矩陣位移法。1960年R.W.Clough 把這種方法由航空結(jié)構(gòu)工程擴(kuò)展到土木工程，并正式命名為有限元法，這標(biāo)志著有限元法的正式誕生。</p><p>　　到60年代末至 70年代初,出現(xiàn)了大型通用有限元程序, 它們以功能強(qiáng)、 用戶使用方便、 計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品,成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。目前,有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、

39、 熱力學(xué)、 流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，有限元法在理論的指導(dǎo)下， 其應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等學(xué)科，成為應(yīng)用廣泛的分析工具。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟件工程的興起，大型商用有限元軟件在更好的人機(jī)界面 、更強(qiáng)的分析功 能、更直觀結(jié)果的顯示方面取得了長(zhǎng)足

40、的進(jìn)步，并日益和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD軟件集成 在一起 ，形成了一個(gè)新的領(lǐng)域CAE，給工程設(shè)計(jì)帶來巨大的變革。由于有限元法特別適合于計(jì)算機(jī)程序編寫，因此許多國(guó)家都編制了大型通用的有限元程序，如美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制的SAP軟件、麻省理工學(xué)院研制的ADINA 軟件、美國(guó)國(guó)家航空與宇航局研制的NASTRAN 軟件等。</p><p>　　有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視, 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：增加

41、產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 ，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間；模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù) ，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。</p><p>　　縱觀當(dāng)今國(guó)際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展特點(diǎn)：</p><p>　?。ǎ保?shù)據(jù)統(tǒng)一。ＡＮＳＹＳ使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(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

42、的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。</p><p>　?。ǎ玻?qiáng)大的建模能力。ＡＮＳＹＳ具備三維建模能力，僅靠ＡＮＳＹＳ的ＧＵＩ（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。 </p><p>　?。ǎ常?qiáng)大的求解功能。ＡＮＳＹＳ提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。</p><p>　?。ǎ矗?qiáng)大的非線性分析功能。ＡＮＳＹＳ 具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何

43、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 具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格</p><p>　?。ǎ叮┝己玫膬?yōu)化功能。 </p><p>　?。ǎ罚┝己玫挠脩糸_發(fā)環(huán)境。</p><p>　　現(xiàn)在有限元的用途很廣，用法很多，我們淺談下振動(dòng)工程中的有限元模態(tài)分析：模態(tài)分析技術(shù)開

44、始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過70多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動(dòng)工程中一個(gè)重要的分支。</p><p>　　有限元模態(tài)分析發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)今國(guó)際上方法和軟件開發(fā)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)特征：</p><p>　?。?）從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解多物理場(chǎng)問題。近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等“耦合”場(chǎng)問題的求解計(jì)算； (2)由求解線性工程問題

45、進(jìn)展到分析非線性問題。有限元技術(shù)在巖土工程中也有應(yīng)用。它在鑲嵌技術(shù)上也有應(yīng)用。</p><p>　　上述主要介紹了有限元的發(fā)展及其應(yīng)用，接下來介紹下有限元方法的基本思想。有限元方法的基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)接在一起的單元組合體。由于各單元能按不同的聯(lián)接方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限元方法作為數(shù)值分析方法的一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單

46、元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)來分片地表達(dá)求解域上的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)或?qū)?shù)在單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其差值來表示。這樣一來，在利用有限元方法分析問題時(shí)，未知場(chǎng)函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值就成為新的未知量( 即自由度) ，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題成為離散的有限自由度問題。求解出這些未知量，就可以通過插值計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解區(qū)域上的近似解。隨著單元數(shù)目的增加(單元尺寸減小) 或隨著單元自由度的增

47、加及插值函數(shù)的精度的提高，解的近似程度不斷改進(jìn)，只要各單元是滿足收斂要求的，近似解最后將會(huì)收斂于精確解。</p><p>　　2.2有限元基本思想</p><p>　　有限元法的中心思想是對(duì)求解域(結(jié)構(gòu))進(jìn)行單個(gè)兒劃分和分片近似，其計(jì)算步驟為：</p><p><b>　　(1)結(jié)構(gòu)的離散化</b></p><p>　　

48、結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基礎(chǔ)。所謂結(jié)構(gòu)的離散化，其過程簡(jiǎn)單地說，就是將分析的結(jié)構(gòu)物劃分成有限個(gè)離散體(單元體)，并在單元體指定點(diǎn)設(shè)置結(jié)點(diǎn)，把相鄰的單元體在結(jié)點(diǎn)處連接起來組成單元的集合體，以代替原來的結(jié)構(gòu)，顯然單元體越多，越接近原來的結(jié)構(gòu)。不同的分析對(duì)象采用不同的單元類型，常用的有桿單元，梁?jiǎn)卧?，板單元，殼單元，體單元等。</p><p><b>　　(2)選擇位移函數(shù)</b

49、></p><p>　　在結(jié)構(gòu)的離散化完成以后，就可對(duì)單元進(jìn)行特性分析。分析方法可按節(jié)點(diǎn)未知量選用變形、位移和應(yīng)力的不同，有力法、位移法、混合法和雜交法，最常用的方法是位移法。為了能用結(jié)點(diǎn)位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，必須對(duì)單元中位移的分布作一定的假設(shè)，也就是假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)——位移函數(shù)。位移函數(shù)的適當(dāng)選擇是有限元分析的關(guān)鍵。在有限元法應(yīng)用中，普遍地選擇多項(xiàng)式作為位移函數(shù)，因多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)運(yùn)算

50、(微分和積分)比較方便，并且由所有光滑函數(shù)的局部來看都可以用多項(xiàng)式逼近。根據(jù)所選定的位移函數(shù)，就可以導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任一點(diǎn)位移的關(guān)系式，其矩陣形式是：</p><p>　　式中，{△}為單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移列陣；[N]為形函數(shù)矩陣，它的元素是單元位置坐標(biāo)的函數(shù)，反映了單元的位移形態(tài)；為單元的結(jié)點(diǎn)位移列陣。</p><p>　　(3)分析單元的力學(xué)特性</p><p

51、>　　位移函數(shù)選定以后，就可以進(jìn)行單元力學(xué)特性的分析。它包括三部分內(nèi)容：</p><p>　　A．利用幾何方程和位移表達(dá)式(2-1)導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移來表示單元應(yīng)變的關(guān)系式，尋求結(jié)點(diǎn)位移與應(yīng)變的關(guān)系，即：</p><p><b>　　{ε}=[B] </b></p><p>　　式中，{ε}是單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變列陣；[B]為單元應(yīng)變矩陣。&

52、lt;/p><p>　　B．利用物理方程，由應(yīng)變的表達(dá)式(2-2)導(dǎo)出用結(jié)點(diǎn)位移表示單元應(yīng)力的關(guān)系式，即：</p><p>　　{σ}=[D][B] </p><p>　　式中，{σ}是單元內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力列陣；[D]為與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。</p><p>　　C．利用虛功原理建立作用于單元上的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系式(節(jié)點(diǎn)平衡方程)，即

53、：</p><p>　　式中，在積分遍及整個(gè)單元的體積，為單元?jiǎng)偠染仃嚕粄R}為單元上節(jié)點(diǎn)力列陣。</p><p>　　(4)計(jì)算單元的等效節(jié)點(diǎn)力</p><p>　　彈性體經(jīng)過離散化以后，假定力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)單元的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力以及作用于單元的體積力、集中力等都需要等效移置到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來替代所有作用在單元上

54、的力。移置的方法是按照作用在單元上的力與等效節(jié)點(diǎn)力在任何虛位移上所做的虛功都相等的原則來進(jìn)行的。</p><p>　　(5)集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程</p><p>　　這個(gè)集合過程包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一個(gè)是由各個(gè)單元的剛度矩陣集合成整個(gè)物體的整體剛度矩陣；二是將作用于各單元的等效節(jié)點(diǎn)力列陣集合成總的荷載列陣。一般說來，集合所依據(jù)的理由是要求所有相鄰的單元在公共節(jié)點(diǎn)處

55、的位移相等。</p><p>　　于是得到以整體剛度矩陣[K]荷載列陣{R}以及整個(gè)物體的節(jié)點(diǎn)位移列陣{S}表示的整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程：</p><p>　　[K]{δ}={R}</p><p>　　(6)求解未知節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)等效荷載以及整體剛度矩陣組成的平衡方程解出節(jié)點(diǎn)位移，然后利用公式和已求出的節(jié)點(diǎn)位移來計(jì)算各單元的應(yīng)力，最后利用公式求出單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移。&l

56、t;/p><p>　　2.3ANSYS軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　ANSYS 是一款以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一[2]。ANSYS中的Structral 模塊提供了完整的結(jié)構(gòu)分析功能，包括幾何非線性"材料非線性"各種動(dòng)力學(xué)分析等計(jì)算能力，此程序包在結(jié)構(gòu)分析方面具有強(qiáng)大的功能!在實(shí)際生產(chǎn)過程中，常常會(huì)遇到各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)分

57、析問題：如機(jī)械結(jié)構(gòu)受力，變形及內(nèi)部應(yīng)力情況等等，利用ANSYS 軟件對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，通過應(yīng)力"應(yīng)變?cè)茍D直觀展示構(gòu)件的性能特點(diǎn)，從而為解決機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的問題提供理論依據(jù)。ANSYS 仿真分析的結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)實(shí)際生產(chǎn)方案作出準(zhǔn)確的判斷，節(jié)省物力財(cái)力，為提高生產(chǎn)效率及縮短設(shè)計(jì)研發(fā)周期的產(chǎn)生有很大的作用[3]。</p><p>　　ANSYS軟件計(jì)算分析的原理是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個(gè)單

58、元，并在每一個(gè)單元中設(shè)定有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連續(xù)的一組單元的集合體，時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一個(gè)插值函數(shù)來表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律，進(jìn)而利用彈性力學(xué)"固體力學(xué)"結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)中的變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程，從而將一個(gè)連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題[4]求解后就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合上的場(chǎng)

59、函數(shù)。</p><p>　　ANSYS典型的分析過程由前處理、求解計(jì)算和后處理３個(gè)部分組成。</p><p>　　前處理：有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計(jì)算模型或數(shù)學(xué)模型，它為計(jì)算提供原始的數(shù)據(jù)。建模是整個(gè)有限元分析過程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度、計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短及計(jì)算過程能否完成，其中建模主要包括以下幾步：</p><p>　　（１）　確定工作名和分

60、析標(biāo)</p><p>　　（２）　設(shè)置分析模塊 ；</p><p>　?。ǎ常《x單元類型和選項(xiàng) ；</p><p>　?。ǎ矗《x實(shí)常數(shù)；</p><p>　?。ǎ担《x材料性質(zhì) ；</p><p>　?。ǎ叮?chuàng)建分析幾何模型 ；</p><p>　?。ǎ罚〗⒂邢拊Ｐ?；<

61、;/p><p>　?。ǎ福?duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分 ；</p><p>　　選擇單元的要點(diǎn)包括：</p><p>　?。ǎ保?duì)線性結(jié)構(gòu)（應(yīng)力）分析，建議采用高階單元；</p><p>　　（２）對(duì)非線性應(yīng)力分析， 用低階單元采用較密網(wǎng)格，而不用較粗網(wǎng)格高階單元；</p><p>　　（３）對(duì)殼應(yīng)力分析，四邊形比三角形結(jié)果要

62、好。</p><p>　　加載及求解：加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。載荷的含義有：自由度約束位移、節(jié)點(diǎn)力（力，力矩）、表面載荷壓力、慣性載荷（重力加速度，角加速度）。</p><p>　　可以在實(shí)體模型或 ＦＥＡ（有限元分析）模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上加載。直接在實(shí)體模型加載優(yōu)點(diǎn)是幾何模型加載獨(dú)立于有限元網(wǎng)格，重新劃分網(wǎng)格或局部網(wǎng)格修改不影響載荷；同時(shí)加

63、載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時(shí)。但要注意：無論采取何種加載方式，ＡＮＳＹＳ 求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此，加載到實(shí)體的載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。</p><p>　　后處理：后處理是將計(jì)算所得的結(jié)果可視化。ＡＮＳＹＳ有兩個(gè)后處理器：通用后處理器，它只能觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果；時(shí)間歷程后處理器，可觀看模型在不同時(shí)間的結(jié)果。但此后處理器只能用于處理靜態(tài)或動(dòng)力分析結(jié)果。動(dòng)力分析結(jié)

64、果后處理的步驟主要包括：①?gòu)那蠼庥?jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)；②對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示；③可對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行列表顯示；④進(jìn)行各種后續(xù)分析。而靜力分析結(jié)果后處理的步驟主要包括：①繪變形圖，②變形動(dòng)畫，③支反力列表，④應(yīng)力等值線圖。</p><p>　　目前，ANSYS軟件已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造"石油化工"輕工"造船"航空航天"汽車交通"電子"土木工程&q

65、uot;水利"鐵道"日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究[27]，其技術(shù)涵蓋多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域!隨著發(fā)展，ANSYS提供的機(jī)械工程仿真技術(shù)將越來越成熟，設(shè)計(jì)人員以真正耦合的方式使用ANSYS 技術(shù)，可獲得符合現(xiàn)實(shí)條件的解決方案，而綜合多物理場(chǎng)產(chǎn)品組合能使用戶利用集成環(huán)境中的多個(gè)耦合物理場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析ANSYS軟件可讓用戶更深入地鉆研，從而解決更多種類的問題，處理更為復(fù)雜的情況。因此，ANSYS產(chǎn)品以其靈活的仿真性能將會(huì)被越來越廣

66、泛地關(guān)注和應(yīng)用。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　在這一章節(jié)中，我們介紹了有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀，有限元基本思想，ANSYS的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，說明了它的軟件有點(diǎn)和具體的使用方法。對(duì)其中的一些公式方程我們也進(jìn)行了說明和列舉。</p><p>　　第三章 壓力機(jī)機(jī)身的靜態(tài)分析</p><p&

67、gt;<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：即開式機(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。我所研究的MC80壓力機(jī)為C型，焊接結(jié)構(gòu)。</p><p>　　該設(shè)備的主要參數(shù)如下

68、:</p><p>　　型號(hào): MC80；</p><p>　　公 稱 壓 力: 800KN；</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)行程次數(shù): 225mm 行程 100次/分；</p><p>　　機(jī)身材料是Q235A，密度；</p><p><b>　　許用角變形微??；</b></p>

69、<p>　　3.2幾何模型的建立</p><p>　　為了進(jìn)行有限元分析，必須對(duì)于實(shí)體模型進(jìn)行改造，使之成為很多微小單元和節(jié)點(diǎn)的組合，這樣的模型稱為有限元模型。其建立包括定義單元屬性，劃分網(wǎng)格生成單元以及添邊界條件等步驟。</p><p>　　MC80壓力機(jī)機(jī)身上有底座，有加強(qiáng)板、凸臺(tái)，油泵等，在建立有限元模型時(shí)，不可能全部考慮這些復(fù)雜的因素，不可能使有限元模型的質(zhì)量矩陣、剛度

70、矩陣完全與事實(shí)相符，因此，按照等效截面方法對(duì)機(jī)身進(jìn)行簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化條件是簡(jiǎn)化前后截面積和慣性矩分別相等。坐標(biāo)原點(diǎn)建立在底座上。</p><p>　　機(jī)身前后板、側(cè)板、加強(qiáng)筋、加強(qiáng)板之間通過焊接而成，假定焊接為理想焊接，機(jī)身結(jié)構(gòu)可視為一整體，以不等厚板處理。約束條件為機(jī)身與基礎(chǔ)連接的地腳螺釘全約束。簡(jiǎn)化后機(jī)身力學(xué)實(shí)體幾何模型如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 MC80實(shí)體幾何模型

71、</p><p>　　3.2.1單元的選擇與劃分</p><p>　　ANSYS單元庫(kù)中有超過150種不同的單元類型，在建立有限元模型時(shí)，先要選擇適當(dāng)?shù)挠邢拊獑卧獊泶鎸?shí)際的結(jié)構(gòu)。在生成單元之前，必須設(shè)置合理的單元屬性，包括單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性以及單元坐標(biāo)系等。軟件提供豐富的單元類型用于各種問題的計(jì)算，其中實(shí)體、板殼、和梁是三類常用單元。實(shí)體單元有SOLID45、SOLID92和SO

72、LID95等。關(guān)于有限元單元先擇的問題，通過計(jì)算比較指出：使用高階單元比使用低階單元的效果顯著；長(zhǎng)方體單元比四面體單元計(jì)算效果好。雖然二次高階單元（帶有中間節(jié)點(diǎn)）比線性單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加，但對(duì)曲線和曲面邊界的結(jié)構(gòu)有較好的擬和，并且只用很少的單元就可以得到更高的精度。</p><p>　　本單元采用的是結(jié)構(gòu)塊單元SOLID92，SOLID92適合劃分不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)模型。如:制作各種CAD / CAM系統(tǒng).solid92

73、為20節(jié)點(diǎn)磚形元素。這種元素由10個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x,y,z3個(gè)方向平動(dòng)。單元的幾何形狀節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)系如下圖 </p><p>　　圖3.2 SOLID92單元</p><p>　　元素輸入數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)旁邊，包括正交異性材料性能,正交異性材料的方向?qū)?yīng)元素的坐標(biāo)方向。元素坐標(biāo)系統(tǒng)的方向所描述的是坐標(biāo)系統(tǒng)。各板厚度以單元實(shí)常數(shù)的形式在定義單元特性時(shí)賦予各板。載荷的處

74、理：本題所使用的是均部載荷，對(duì)油泵和工作臺(tái)進(jìn)行加載處理，總載荷為960KN。</p><p>　　利用ANSYS的智能尺寸網(wǎng)格劃分功能，網(wǎng)格劃分器對(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，基本控制只需定義網(wǎng)格尺寸的等級(jí)從1（精細(xì)）到10（粗略）?？紤]到本文要進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)的有限元分析，故選

75、取劃分網(wǎng)格的精度等級(jí)為6，智能劃分后，如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　3.3邊界條件的施加</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>　　3.3.1載荷的施加</p><p>　　本設(shè)備的公稱壓力是800KN，但由于實(shí)

76、際應(yīng)用中設(shè)備受到的是動(dòng)載荷，故應(yīng)在靜載荷上乘以一個(gè)動(dòng)荷系數(shù)1.20，即960KN。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。設(shè)備在工作時(shí)承受兩個(gè)方向的載荷，一個(gè)是作用在油泵上，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。2個(gè)載荷都是以均部載荷的形式作用在工作平面上的。</p><p>　　3.3.2邊界約束條件</p><p>　　MC80壓力機(jī)機(jī)座的邊界約束

77、條件為機(jī)身與導(dǎo)軌連接的螺栓全約束。圖1反應(yīng)了ANSYS 上施加外力載荷和進(jìn)行邊界約束。</p><p>　　圖1 約束和外力加載圖</p><p><b>　　3.4材料特性</b></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

78、量E為206.76 Gpa,泊松比μ為0.27～0.3,本文取 E=2×1011Pa,μ=0.3, Q235鋼的密度取ρ= 7800kg/m3。</p><p><b>　　3.5計(jì)算結(jié)果分析</b></p><p>　　3.5.1應(yīng)力和變形要求：</p><p>　　（1）機(jī)身變形要求:</p><p>&l

79、t;b>　　。</b></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。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)

80、力（又稱Von Mises 等效應(yīng)力）來評(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，材料不發(fā)生破壞的條件是：</p><p><b>　　[]</b></p><p><b>　　[]——許用應(yīng)力，</b></p><p><b>　　而= </b><

81、;/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，=235MPa</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，[]=/安全系數(shù)=235/1.47=160Mpa，而我們所要的應(yīng)力要求是：[]≤160MPa</p><p>　　3.5.2應(yīng)力圖形顯

82、示（MPa）</p><p>　　1)Von-Mises應(yīng)力圖</p><p>　　圖1 Von-Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　3.5.3變形圖顯示(mm)</p><p><b>　　1)X方向變形圖</b></p><p><b>　　圖2 X向變形圖</b>

83、;</p><p><b>　　2)Y方向變形圖</b></p><p><b>　　圖3 Y向變形圖</b></p><p><b>　　3)Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4 Z向變形圖</p><p><b>　　4)總

84、變形圖</b></p><p><b>　　圖5總變形圖</b></p><p><b>　　3.5.4應(yīng)力分析</b></p><p>　　從Von-Mises應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為77.172 Mpa，小于許用應(yīng)力160 Mpa，符合要求。</p><p><b>

85、　　3.5.5變形分析</b></p><p>　　從X變形圖可以看出，變形為0.55237mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　從Y變形圖可以看出，變形為0.42429mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　從Z變形圖可以看出，變形為0.021491mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p>

86、;<p><b>　　3.6本章小結(jié)</b></p><p>　　本章列出了壓力機(jī)的三維模型，細(xì)化后的圖形也列出來了。對(duì)于這壓力機(jī)模型我們介紹了它的材料特性，也對(duì)它進(jìn)行了加載然后應(yīng)力分析和變形分析。也對(duì)它的變形結(jié)果進(jìn)行了分析，符合變形和應(yīng)力要求。</p><p>　　第四章 機(jī)身結(jié)的構(gòu)優(yōu)化</p><p><b>　　

87、4.1優(yōu)化分析</b></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

88、要求：應(yīng)力：[δ]≤160MPa</p><p>　　變形：δx≤1mm δy≤1mm δz≤1mm</p><p><b>　　4.2優(yōu)化方案一：</b></p><p>　　將機(jī)身壁厚減少20mm,由原來的80mm改為60mm。</p><p>　　4.2.1實(shí)體模型圖</p><p>　　圖

89、4-2-1 實(shí)體模型圖</p><p>　　4.2.2應(yīng)力圖顯示(MPa)</p><p>　　1）Von-Mises應(yīng)力圖</p><p>　　圖4-2-2 Von-Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　4.2.3變形圖顯示(mm)</p><p><b>　　1)X方向的變形圖</b>&

90、lt;/p><p>　　圖4-2-3 X向變形圖</p><p><b>　　2）Y方向的變形圖</b></p><p>　　圖4-2-4 Y向變形圖</p><p><b>　　3）Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4-2-5 Z向變形圖</p>

91、<p><b>　　4）總變形圖</b></p><p>　　圖4-2-6 總變形圖</p><p><b>　　4.2.4應(yīng)力分析</b></p><p>　　1）從應(yīng)力圖Von Mises中我們可以看出最大壓應(yīng)力為101.51Mpa，小于許用應(yīng)力160 Mpa，符合應(yīng)力要求。</p><

92、p><b>　　4.2.5變形分析</b></p><p>　　從X變形圖可以看出，變形為0.70933mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　從Y變形圖可以看出，變形為0.5299mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　從Z變形圖可以看出，變形為0.029791mm，符合了變形需要小于1 mm

93、的要求。</p><p><b>　　4.3優(yōu)化方案二：</b></p><p>　　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。</p><p>　　4.3.1實(shí)體模型圖</p><p>　　圖4-3-1 實(shí)體模型圖</p><p>　　4.3.2應(yīng)力圖顯示(MPa)&

94、lt;/p><p>　　1）Von-Mises應(yīng)力圖</p><p>　　圖4-3-2 Von-Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　4.3.3變形圖顯示(mm)</p><p><b>　　1）X方向的變形</b></p><p>　　圖4-3-3 X向變形圖</p><p

95、><b>　　2)Y方向的變形圖</b></p><p>　　圖4-3-4 Y向變形圖</p><p><b>　　3)Z方向變形圖</b></p><p>　　圖4-3-5 Z向變形圖</p><p><b>　　4）總變形圖</b></p><

96、p>　　圖4-3-6 總變形圖</p><p><b>　　4.3.4應(yīng)力分析</b></p><p>　　1)從Von-Mises應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為105.31 Mpa，小于許用應(yīng)力160 Mpa，符合應(yīng)力要求。</p><p><b>　　4.3.5變形分析</b></p><p

97、>　　1) 從X變形圖可以看出，變形為0.69657mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　2) 從Y變形圖可以看出，變形為0.52376mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　3) 從Z變形圖可以看出，變形為0.029533 mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p><b>　　4.4優(yōu)化

98、方案三：</b></p><p>　　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。</p><p>　　4.4.1實(shí)體模型圖</p><p>　　圖4-4-1 實(shí)體模型圖</p><p>　　4.4.2應(yīng)力圖顯示(MPa)</p><p>　　1）Von-Mises應(yīng)力圖</p>

99、;<p>　　圖4-4-2 Von-Mises應(yīng)力云圖</p><p>　　4.4.3變形圖顯示(mm)</p><p><b>　　1）X方向的變形圖</b></p><p>　　圖4-4-3 X向變形圖</p><p>　　2）Y方向的變形圖 </p><p>　　圖4-4-

100、4 Y向變形圖</p><p>　　3）Z方向的變形圖 </p><p>　　圖4-4-5 Z向變形圖</p><p><b>　　4）總變形圖</b></p><p>　　圖4-4-6 總變形圖</p><p><b>　　4.4.4應(yīng)力分析</b></p>

101、;<p>　　1)從Von-Mises應(yīng)力圖中我們可以看出最大應(yīng)力為105.67Mpa，小于許用應(yīng)力160 Mpa，符合應(yīng)力要求。</p><p><b>　　4.4.5變形分析</b></p><p>　　1)從X變形圖可以看出，變形為0.69688mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　2)從Y變形圖可以

102、看出，變形為0.52387 mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p>　　3)從Z變形圖可以看出，變形為0.029792mm，符合了變形需要小于1 mm的要求。</p><p><b>　　4.5結(jié)果表格</b></p><p>　　經(jīng)計(jì)算可節(jié)省的材料如表1所示：</p><p>　　表1.各優(yōu)化方案分析

103、比較</p><p>　　壓力機(jī)機(jī)身各種方案下的計(jì)算結(jié)果如表2所示：</p><p>　　表2.各優(yōu)化方案分析比較</p><p><b>　　4.6本章小結(jié)</b></p><p>　　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)方案總體來說都符合優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，但是出于材料的節(jié)省來說，第1方案為最佳方案，總共可以節(jié)省10

104、23㎏的材料，大大節(jié)省了成本。</p><p>　　第五章 壓力機(jī)的模態(tài)分析</p><p><b>　　5.1模態(tài)分析概念</b></p><p>　　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

105、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

106、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。</p><p>　　5.2模態(tài)分析的作用</p><p>　　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)

107、。 </p><p>　　模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為一下幾個(gè)方面： </p><p>　　評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性； </p><p>　　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)；</p><p>　　診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；</p><p>　　控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；</p><p>

108、;　　識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。</p><p>　　5.3模態(tài)分析的的方法與步驟</p><p>　　5.3.1模態(tài)分析的的方法</p><p>　　1.降階法(reduced householder method)：</p><p>　　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

109、degree of freedom)，再用該主自由度來定義結(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。</p><p>　　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：</p><p>　　a. 主自由度的個(gè)數(shù)至少為所求頻率個(gè)數(shù)的兩倍。</p><p>　　b. 選擇主自由度的方向

110、為結(jié)構(gòu)最可能振動(dòng)的方向。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　e. 主自由度的節(jié)點(diǎn)位于施力處或非零位移處。</p><p>　　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。

111、</p><p>　　可以用M命令來定義主自由度。此外，也可由ANSYS自動(dòng)選擇自由度。</p><p>　　2. 次空間法(subspace method)：</p><p>　　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。</p>&

112、lt;p>　　3. 非對(duì)稱法(unsymmetrical method)： </p><p>　　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。</p><p>　　4. 阻尼法(damped method)：</p><p>　　該方法用

113、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。</p><p>　　5. 區(qū)塊法(block lanczos method)：</p><p>　　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。</p><p>　　6. 快速動(dòng)力法(power dynamics meth

114、od)：</p><p>　　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。</p><p>　　5.3.2模態(tài)分析的的步驟</p><p>　　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，

115、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。</p><p>　　2.進(jìn)入/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。</p><p>　　3. 再進(jìn)入/SOLU，將所得結(jié)果擴(kuò)展至全結(jié)構(gòu)，求解，