JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计开题报告

广陵学院毕业设计（论文）开题报告 学 生 姓 名： 学号： 专 业： 机械设计制造及其自动机化 设计（论文）题目： JS-500精整压力机 机身 结构 有限元分析及改进设计 指 导 老 师： 2014 年 3 月 20 日 2 毕业设计（论文）开题报告 1、结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 1.1 课题研究的目的和意义 1.1.1 压力机的概述 压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷、橡胶、磁材、金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。 但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机间无法进行通讯，液压回路控制简单 ，床身结构为经验设计等缺点，无法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化的开发进程落后数十年。特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开压力机械的使用，压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品技术要求的提高而需要更新。 因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动强度将起到重要的作用。也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民制造业有着深远的意义 1。 机械压力机是利用 曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动对坯料进行成形加工的锻压设备。能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品 2。在所有的锻压设备中，机械压力机所占比例高达 80%以上 3。 精整压力机是一种精密、高速、高效的精密整形拉深压力机，设备采用六连杆机构并进行了优化设计，使该设备既具有类似于液压机的运动特性曲线，又具有较快的行程次数 4。 1.1.2 国内外压力机的发展 3 目前我国压力机机身的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的床身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周 期长，制造成本高，更新换代慢，这些问题使得国产压力机在高档次压力机领域内无法与国外压力机相抗衡。随着中国加入 WTO，中国的机床制造企业的形势将变得更加严峻，并面临更为强大的竞争对手，为此，中国的压力机制造企业必须改变原有的传统设计方法，以先进的设计制造手段作为技术支撑，来提高我国压力机的设计与制造水平，在新的市场环境中积极参与竞争。随着 CAD/CAM/CAE 技术的日益普及和应用，有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和发展，在机床设计中得到广泛的应用，并取得了显著的技术经济效益 5。 自 改革开放以来，我国国民经济得到了稳定高速的发展，液压技术已广泛应用在冶金、工业设备、汽车、工程机械、船舶、飞机、润滑系统等各个领域 6。 近年来，由于我国国民经济的飞速发展，各行各业对压力机特别是新型压力机的需求越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。世界许多压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压力机机身的设计长期以来还沿用经验、类比的传统设计方法，设计出的床身不仅性能差，结构笨重，速度、精度提不高，而且设计周期长，制造成本高，更新换代慢，这些问题使得国产压力机在高档次压力机领 域内无法与国外压力机相抗衡。随着电子技术、计算机技术与机床分析技术的结合，要求我们引入现代设计理念与手段，利用有限元法进行静态、动态特征的计算，对新型压力机机身作全面的分析优化。同时，对压力机的优化方法进行探索，实现真正意义上的设计7。 目前国内外大多数使用的压力机一般都采用不可调速的交流异步电动机进行驱动，这种驱动方式需要一整套的转换机构将旋转运动转换成所需要的直线往返运动，同时为了减小电动机的功率，还在传动系统中设置了飞轮，这种传动系统成本较低，但是体积笨重，变速难度大 8。 国外对于压力机的机身 也有大量的研究，德国的 Neuman M.和 Hahn.H建立了机械压力机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力机进行计算机仿真和动态设计。丹麦的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim 设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助 9。 4 日本作为世界上资源最稀缺并且消耗最大的国家之一，他们的工程技术人员对节能技术的研究一直处于世界先进水平。作为日本非常有影响力的企业，口本第一电气株式会社从 20世纪 80年代末就开始对直驱式 电液伺服系统进行研究，取得了一系列的研究成果，己经在开始在工程设备中使用 10。 目前世界锻压设备的发展趋势是 :集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。近年来又发展了数控系统，能和电子机算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓储等相结合，构成多种系列的柔性制造单元和柔性制造系统，并向现代集成制造系统方向发展 11。 1.2 有限元的应用 1.2.1 有限元 简介 有限元法 (Finite Element Method)简称 FEM，产生于 20世纪 40年代。此前，工程中解微分方程的数值方法主要是差分法。由于航空工业发展的需要，对飞机的结构要进行精细的设计与计算，以减轻质量、提高强度等，这就推动了结构力学的发展，出现了矩阵力学分析方法。 R.W.Clough (1960年 )在分析弹性力学问题时首次提出有限元方法的名称。冯康等 (1964年 )也提出了类似的有限元方法及变分原理。此后，有很多的工程师在土木工程、机械工程等各个领域尝试采用有限元方法分析弹性力学问题、流体力学问题、传热问题等，推动了有限方法的蓬勃发展。 1967 年， ZienkiewiczOC 和 Cheung最早出版了有限元分析的专著。 1972年， J.T.Oden出版了非线性连续体的有限元专著。有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到很好的解决，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命，带动了其他学科的发展。据估计，目前国际上，有 90%以上的机械类产品、土木工程结构要采用有限元分析方法进行分析 ， 有 70%的科技文献中会采用有限元作为分析工具 12。 李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影 响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据 13。土俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定了极限安全系数 14。土苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式吃剪机机架使用中存在的问题，采用ALGOR软件对吃剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了吃剪机机架的应力、 5 应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。并对吃剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。实践证明通过改进的曲柄连杆式吃剪机架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则 16。史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，使机身的结构更合理 1718。史宝军等主要对 J21-160型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减轻重量又提高强度、刚度的显著效果。这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化 19。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁 场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一 ANSYS 公司开发 20。 1.2.2 有限元的发展与现状 有限元的的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假象的离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程进度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于当时计算机尚未出现而没有被重视。直到 60年代有限元法才发展起来，是计算机的产物 。美国克劳夫教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在 1960年首次提出了 “ 有限单元法 ” 这一名称 21。我国的冯康教授在 1956年中发表的论文中也提到了有限单元法。自从 1965 年“ 有限元 ” 这个名词第一次出现，到今天有限元方法在工程上得到广泛应用，已经经历了四十年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析 计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。 随着电子计算机速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受 ,人们不必再在编写程序上花费大量的精力。不仅如此 ， 商品化有限元程序的发展 ,还使 6 用户能够摆脱手工网格划分、逐点输入结点坐标和单元联接信息 。 而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结果分析上鲜明的视觉效果。目前的商品化有限元程序一般分为 3个部分 ， 即前处理部分、处理部分和后处 理部分。它们通过互交式计算机图形集中到 CAD /CAM系统 22。 通过对压力机机身进行有限元分析后，对强度、刚度相对薄弱的局部结构进行改进23。 随着计算机与有限元软件的发展，用有限元法对零部件进行受力分析校核逐渐取代了原有的经典材料力学的危险截面计算法。通过测试证明，有限元法计算结果误差更小，能够为设计人员提供更为可靠的参考依据。近两年来，采用有限元分析法对机床在设计开发阶段的关键零部件进行及时分析校核，为零部件的反复优化改型设计提供了重要参考依据，使机床在生产加工前，其零部件强度和刚度己经有了较 好的控制，极大减少了返工率 24。 有限元方法的一些发展趋势： 1.与 CAD 软件的无缝集成 2.更强大的网格处理能力 3.由求解线性问题发展到求解非线性问题 4.由单一结构场求解发展到耦合场问题求解 5.程序面向用户具有开放性 25。 参考文献 1 雷小宝 .新型数字化压力机的研制 D.合肥工业大学， 2007.10 2 梁建军 .伺服压力机交流永磁同步电机驱动系统的研发 D.华南理工大学， 2011.06 3 董建兴 .压力机再制造关键技术及实例研究 D.山东理工大学， 2013.04 4 张新国，韩杰，孙林，冯涛 .大吨 位精整压力机快速返程时惯性冲击原因分析及对策J.江苏扬州：扬州捷迈锻压机械有限公司， 2012 5 张祖芳 .开式压力机机身的有限元分析及其优化设计 D.东南大学， 2004.03 6 沈文轩 .检测压力机的开发与研究 D.广东工业大学， 2013.05 7 周平 .新型压力机机身有限元分析和优化 D.南京理工大学， 2007.06 8 吴凡 .直流伺服电机驱动的压力机设计和研究 D.苏州大学 ,2011.11 9 任翠锋 .YH30-400液压机机身结构的有限元分析与优化 D.合肥工业大学， 2009.04 10 王汉杰 .压力机用直驱式电 液伺服系统 D.河南科技大学， 2011.04 11 于晓红 .我国锻压行业近况及前景浅析 J.江苏扬州：扬州捷迈锻压机械有限公司， 7 2011 12 丁科，陈月顺 .有限单元法 M.北京 :北京大学出版社， 2006. 1 13 李明典 .锤杆应力的有限元分析 J.锻压机械， 1986 (2) : 15-17 14 土俊领 .4200MM轧机机架三维有限元分析 J.重型机械， 1996 (3) : 35-39 15 土苏安 .曲柄连杆试吃剪机机架的有限元分析 J.冶金设备， 1999 (2) :11-13 16 李陪武，谢春雷 .J53-1600型双盘摩擦 压力机机身有限元分析 (I)(II)R 17 史宝军，鹿晓阳，蓝静等 .J21系列压力机机身强度刚度计算与分析 J.锻压机械 .1993(2):34-35 18 管延锦 .闭式组合机身强度和刚度的研究和优化 D:硕士论文 .山东 :山东工业大学机械系， 1994 19 史宝军，丰向军 .JB21-160型开式压力机机身有限元分析及结构优选 J.锻压机械，1993 (2) 7-10 20 余联庆，梅顺齐，杜利珍，饶成 .ANSYS在结构优化设计中的应用 J.中国水运，2007.03 21 Jeffrey M.Steel.Applied Finite Element ModelingJ.New York: Eastan KodakCompany Rochester， 1989 22 张晋红，吴风林 .有限元法及其应用现状 D.山西：太原理工大学机械工程学院， 2003 23 张祖芳，仲太生，许超 .开式压力机机身轻量化设计研究 D.南京：东南大学， 2003 24 何彦忠，林雅杰 .压力机门式机身有限元分析与校核方法 J.江苏扬州：江苏扬力集团精密机床研究所， 2013 25 蒋晨 .基于有限元技术的板材加工机械优化设计与分析 D.南京：东南大学， 2005 8 毕业设计（论文）开题报告 2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 2.1 课题的来源 本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。 JS-500精整 压力机为国内首创半开、半闭式压力机， JS-500 精整 压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品 ,专门用于锻压汽车零部件而生产的， 适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺。 要求我们运用有限元分析技术，对 JS-500 精整 压力机进行结构分析并给出优化方案。通过本课题的研究 ,为提高压力机产品的性能，质量和寿命，降低产品成本提供科学计算分析的 依据，增强其产品在市场的竞争力。 2.2 研究的问题 运用有限元分析软件 ANSYS 对 JS-500精整压力机 进行有结构静态分析、模态分析以及结构优化设计。利用静态有限元分析，校核液压机机身部件的强度和刚度，并且根据分析的结果进行结构优化设计以达到降低生产成本，提高经济效益。模态分析可以求出机身振动的固有频率以及相应的振型，分析各种振型对压力机工作状态的影响。这对于了解液压机现有结构的力学特性以及进而改善其结构有重要的意义，为压力机的设计提供了理论和现实依据。主要内容有： (1).前期准备： 收集相关资料， 查阅中外文献、请教老师和同学讨论。 学习有限元分析软件，有限元建模、边界条件的确定、载荷模拟及结构应力应变场的分析及优化设计等现代设计方法。 (2).对 JS-500精整压力机机身进行三维实体建模； (3).了解 JS-500精整压力机工作性质和工作状态；对其进行工作载荷分析，确定边界条件及加载方案 (4).划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身的应力和应变分布规律，评价载荷对压力机工作性能的影响； 9 (5).根据分析结果，在应力集中危险区域采取措施