（机械制造及其自动化专业论文）惯性振动落砂机框体的有限元分析.pdf

惯性振动落砂机框体的有限元分析 摘要 惯性振动落砂机主要用于铸造车间机械化造型浇注后铸型的落砂。落砂机 框体是振动的主体。本课题对某型号惯性振动落砂机框体进行了有限元静力学 和动力学分析。具体内容与成果如下： ( 1 ) 运用p r o e n g i n e e r 三维建模软件建立了落砂机框体的三维实体模 型和曲面模型。 ( 2 ) 运用c a e 分析软件h y p e r m e s h 建立了落砂机框体的有限元模型。 ( 3 ) 根据落砂机框体实际工作情况，对落砂机框体进行了有限元静力学分 析，获得落砂机框体应力分布情况，得出框体结构强度具有较大富余，框体结 构设计偏于保守。 ( 4 ) 应用模态分析理论，对落砂机框体进行了自由模态和约束模态分析。 通过对落砂机框体模态分析，得出了落砂机框体结构在无约束和约束情况下的 的固有频率和振型，找出了落砂机框体振动的薄弱环节。 ( 5 ) 对落砂机框体进行动载荷的频率响应分析。通过分析响应点的频率响 应位移曲线图，更加直观地看出落砂机框体结构在外界宽频激励下，哪些频率 处被激起共振。结合模态分析结果，得到落砂机框体在外界激振下引起共振的 频率。 关键字：惯性振动落砂机：有限元分析；模态分析；频率响应分析 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f t h ei n e r t i av i b r a t i n gk n o c k - o u tm a c h i n e sf r a m e a b s t r ac t i n e r t i av i b r a t i n gk n o c k - o u tm a c h i n ei sm a i n l yu s e df o rc a s t i n go f ff o u n d r ys a n df r o m p r o p l a s ma f t e rm e c h a n i z e dm o l d i n ga n dp o u r i n gi nt h ef o u n d r y i t sf r a m ei st h em a i np a r t o ft h ev i b r a t i o n f i n i t ee l e m e n ts t a t i ca n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ef r a m ew e r e c a r r i e do ni nt h i sp a p e r t h ec o n t e n ta n do u t c o m e sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) at h r e e _ d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e la n ds u r f a c em o d e lo fi n e r t i av i b r a t i n gk n o c k o u t m a c h i n ef r a m eh a sb e e ne s t a b l i s h e do np m e ( 2 ) af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ef r a m eh a sb e e ne s t a b l i s h e do nh y p e r m e s h ( 3 ) a c c o r d i n gt oi n e r t i av i b r a t i n gk n o c k - o u tm a c h i n ef r a m ep r a c t i c a lw o r ks i t u a t i o n ， t h es t a t i ca n a l y s i sw a sc a r r i e do na n ds t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h ef r a m ew a sg a i n e d w e d r a wc o n c l u s i o n st h a tt h es t i f f n e s sa n d s t r e n g t ho ft h ef r a m ea r es u f f i c i e n ta n dt h es t r u c t u r a l d e s i g no ft h ef r a m ei sc o n s e r v a t i v e ( 4 ) b a s e do nm o d a la n a l y s i st h e o r y ，f r e em o d a la n dr e s t r a i n tm o d a la n a l y s i so ft h e f r a m ew e r ec a r r i e d0 1 1 t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h em o d ev i b r a t i o no ft h ef r a m ew e r e g a i n e df o r mt h e s et w ok i n d so fm o d a la n a l y s i sa n dt h ew e a kp a r to ft h ef r a m ew e r e d i s p l a y e d ( 5 ) f r e q u e n c yr e s p o n s ed i s p l a c e m e n td i a g r a mo fc u r v e so ft h er e s p o n s ep o i n t sh a s b e e no b t a i n e df r o mf r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i so ft h ef r a m e t h ed i s p l a c e m e n td i a g r a mo f c u r v e si l l u s t r a t ew h a tf r e q u e n c i e sr a n g ea r o u s e dr e s o n a t i n gw h e nt h ef r a m ei sd r i v e n o u t s i d ee x c i t a t i o n c o m p a r e dt h em o d a la n a l y s i sr e s u l t ，w ec a ng e tt h er e s o n a t i n gf r e q u e n c y u n d e rt h eo u t s i d ee x c i t a t i o n k e yw o r d s ：i n e r t i av i b r a t i n gk n o c k o u tm a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； m o d a la n a l y s i s ；f r e q u e n c yr e s p o n s ea n a l y s i s 插图清单 图1 1 惯性振动落砂机工作原理简图2 图2 1 有限元法进行结构分析的一般流程7 图2 2h y p e r w o r k s 有限元分析的主要步骤1 0 图3 1 落砂机框体二维装配图1 4 图3 2p r o e 中模板的设置：1 5 图3 3 落砂机框体侧肋板的阵列1 5 图3 - 4 落砂机框体三维实体模型图1 6 图3 5p r o e 软件建立的框体三维曲面模型1 7 图3 6 导入h y p e r m e s h 中的框体三维曲面模型l8 图3 7 落砂机框体槽钢网格的质量检查19 图3 8 落砂机框体的有限元模型2 0 图3 - 9 s p r i n g s 单元和r i g i d s 单元2 2 图3 1 0 落砂机框体向上运动的静力分析有限元模型2 3 图3 1 1 落砂机框体向下运动的静力分析有限元模型2 3 图3 1 2 落砂机框体向上运动工况下的框体应力云图2 4 图3 1 3 落砂机框体向下运动工况下的内部应力云图2 5 图4 1 质量点单元( c o n m 2 单元) 3 0 图4 2 落砂机框体7 l5 阶自由模态振型3 2 图4 3 落砂机框体4 - - 一1 5 阶约束模态振型3 5 图4 4c o n s t r a i n s 面板中动载荷的定义3 6 图4 5 激振点的位置图3 7 图4 6 响应点的位置图3 7 图4 7e n t i t ys e t s 面板中响应点的创建3 8 图4 8t a b l e d l 卡片中计算频率范围的设置3 8 图4 - 9f r e q l 卡片中用于响应求解的频率的设置3 8 图4 1 0p a r a m 卡片中结构阻尼的设置3 9 图4 1 1s u b c a s e 面板载荷工况的定义3 9 图4 1 2 频率为0 2 5h z 响应点的z 方向频响曲线4 0 图4 1 3 频率为2 5 1 0 0 0 h z 响应点的z 方向频响曲线4 2 表格清单 表3 1 落砂机框体向上振动工况下的最大应力结果列表2 4 表3 2 落砂机框体向下振动工况下的最大应力结果列表2 5 表4 1 落砂机框体的自由模态固有频率、振型及最大振幅3 l 表4 2 落砂机框体的约束模态固有频率、振型及最大振幅3 3 表4 3 频率范围为0 2 5 h z 响应点结果表3 9 表4 4 频率范围为2 5 1 0 0 0h z 响应点结果表4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：禽蕲骂签字日期：d 。1 。年卜月3 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：潲 签字日期：j 卟 年斗月3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩虢自晦 签字e t 期：沙，口年仁月“日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我尊敬的导师一一郑红梅老师细心指导下完成的，整个过程凝 聚了导师大量的心血。郑红梅老师科研工作严谨求实、专业知识渊博、实践经 验丰富，这些都为我们树立了良好的学习楷模，使我受益匪浅。我在攻读硕士 学位期间所取得的每一点进步都离不开导师耐心的指导和帮助。在这两年多的 时间里，导师不仅在学业上给予我精心指导，而且在生活上也给予了我无微不 至的关怀。谨向我的导师表示衷心的感谢和崇高的敬意! 感谢陈科、曹文钢、董迎晖等各位老师对我的指导和帮助。 感谢邓磊、叶鹏、仰荣德等同学对我的指导和帮助。 感谢实验室所有的师兄弟在我研究生期间所给予的帮助。 感谢我的父母以及我的其它亲人，感谢他们这么多年来对我无微不至的关 怀，感谢他们对我精神和物质上的支持，感谢他们为我无私奉献的一切。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 最后，感谢评阅本文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予本人的 指导。 第一章绪论 1 1 振动机械概述 在多数情况下，振动是一种不必要的和有害的现象。但在某些地方，振动 是有益的。例如，利用振动可有效地完成许多工艺过程，或者可以用来提高某 些机器的工作效率。最近4 0 多年来，利用振动原理工作的振动机械得到了迅速 发展。 目前，振动机械、振动设备，如振动落砂机、振动给料机、振动输送机、 振动破碎机和振动筛分机等，已在铸造业中获得了广泛的应用，并发挥着重要 作用。这类振动机械均以惯性式振动机构为主，它通过电动机带动偏心块或偏 心轴回转而产生的激振力来驱动振动载体。惯性式振动机械的主体组成可分为 三大部分【2 】： ( 1 ) 惯性激振器：利用偏心块或偏心轴回转产生激振力使振动载体产生持 续振动的动力源。 ( 2 ) 振动载体：或称参振体、振动机体，能接受激振器激振的振动载体， 并以完成预期工作为目的。 ( 3 ) 隔振元件：采用刚性或柔性弹簧支承来减少振动载体对基础产生的动 载荷。 惯性式振动机械与其它机械设备相比，具有结构简单、低能耗、耐高温、 安装方便的优点，在铸造生产线上有使用方便、布置灵活、便于维护检修的特 点。但振动机械也存在着工作不够稳定、动载荷较大、调试比较困难、零部件 使用寿命有限和噪声较难控制等缺点。 1 2 惯性振动落砂机 1 2 1 惯性振动落砂机概述 惯性振动落砂机主要用于铸造车间机器造型及浇注后铸型的落砂。它利用 振动载体的激振力撞击方式，将铸型溃散，使砂箱分离，铸件和铸型脱开，达 到铸件落砂的目的。砂团由于振动而破碎，通过栅格落至回砂皮带或振动输送 机上【2 】。 1 2 2 惯性振动落砂机工作原理【3 】 惯性振动落砂机工作原理简图1 - 1 所示。落砂机框体端部对称安装的两台 振动电机，反向同步运转，水平方向的力相互抵消，垂直方向的力使落砂机作定 向振动。振动时，铸型被抛掷，然后下落与栅格板碰撞，铸件与型砂分离，铸型与 砂箱分开，砂团经破碎后通过栅格孔落到筛网上，废料由侧门上的小门排出。 图1 - 1 惯性振动落砂机工作原理简图 1 一落砂机框体2 一减震弹簧3 一振动电机 1 2 3 惯性振动落砂机存在的问题 ( 1 ) 动力学参数匹配不合理 当落砂机动力学参数不合理时，振动效果差，导致铸件相互碰撞的力较大， 工作噪音大，铸件被震裂，而型砂和芯砂( 很硬，残留强度很大) 却没有完全振 碎，残留在铸件内。这些型砂和芯砂对落砂机机身的破坏力很大，并消耗大量 动力。 ( 2 ) 振动噪声大，传给地基的振动大 振动机械在工作过程中，噪音往往偏大。一般在8 0 d b ( a ) 以上，往往超过 9 0 d b ，甚至超过1 1 0 d b 。对长期工作在噪音环境的工人，造成很大的困扰。传 给地基的振动也很大，影响其他机床的工作精度和使用寿命，且使工作环境的 灰尘较大。 ( 3 ) 机器的净质量与载荷之比偏大，应减轻重量进行结构优化设计 机器本身的净质量太大。例如，常见的单质体式的落砂机净质量与载荷之 比大约为0 9 ，双质体式的落砂机净质量与载荷之比多达1 3 。对于大型的振动 机械，如单台荷载3 0 吨的落砂机，机器净重量达到3 0 吨以上，如何对结构进 行优化，减轻机器本身的质量，降低生产成本，提高企业的经济效益，是亟待 解决的问题。 ( 4 ) 设计方法落后 铸造机械厂的设计人员均根据经验进行产品设计，不能在产品的开发设计 阶段对其生命周期的各种因素考虑周全，以至于在产品设计甚至生产出来后才 能发现问题，延长了开发周期，增加了成本。而且对产品进行修改时，所有零 件图要重新绘制，设计人员的工作量大。 1 3 国内外研究现状 振动机械主要为复杂碰撞和冲击振动，大多数碰撞振动系统的维数很高， 动力学响应复杂，这类工程实际问题迫切需要人们对碰撞振动系统的动力学行 为有更深入、更全面的了解【4 】。含间隙的冲击系统或振动系统一般都是多参数， 参数的变化将引起系统动力学响应的变化【5 】，由于碰撞的存在，系统呈现不连 续性和强非线性，其动力学性质的变化往往具有突变性【6 】【7 】。对有关碰撞振动 机械或装置的优化设计依赖于对系统复杂运动的理解。g u c k e n h e i m e r i s 等人评 述了碰撞振动的几何与数值分析、实验研究以及存在的典型现象；近年来，碰 撞振动中的复杂运动的研究已成为非线性动力学研究中的重点，研究的方向也 由单自由度系统转向多自由度和连续体系统，由周期性的存在条件和稳定性转 向分岔、混沌等方面【4 】。 在运用碰撞理论进行振动机械的动态特性研究时，需要根据其实际的工作 状况，精确捕捉碰撞过程中的时间延迟等各种因素，建立合适的动力学模型， 并形成相应的算法，实现振动机械实际工作中的动力学设计及优化，改善其工 作效果。 振动机械的噪声很大，目前的振动机械产品降噪效果较差。降噪首先要识 别噪声源。噪声源常用的识别方法主要有：信号分析法、主观评价法、声强法 等。目前多采用声强法，声强法可以确定其主要噪声源、噪声源的频率特征、 声功率排序及声功率级，为降低振动机械的噪声提供依据【9 】。噪声源确定后， 一方面，可以通过改变振动机械本身的结构和动力学参数来降低噪声；另一方 面，根据振源的频率、大小和方向，以及被隔振机械的尺寸、重量和隔振要求， 优化隔振装置的参数和结构形式【l o 】。 振动机械多采用静态的经验公式进行结构设计的方法，使得其机身重量很 大。随着结构工程的发展，有限单元法已成为分析各种结构问题的数值方法， 越来越多的产品采用有限元方法并应用有限元工具软件进行结构设计与优化并 取得了很好的结果】。 1 4 课题来源、研究目的及内容 1 4 1 课题来源 该课题来源于合肥工业大学科学研究发展基金( g d b j 2 0 0 8 - 0 1 7 ) 资助项目 “落砂机动态特性的研究”。该项目主要内容为：针对落砂机的实际工作状况， 研究碰撞系统的分叉及混沌问题，并用以分析落砂机的动态特性；建立其动力 学模型，优化动力学参数，改进工作效果；分析噪声产生原因和影响因素，研 究降噪方案；应用有限元方法，优化其结构，减轻机械净重量；将数字化设计 方法应用于落砂机的研制和改型中，创建三维数字化实体模型，减少设计人员 的工作量。 本课题主要对惯性振动落砂机框体进行有限元静力学分析和动力学分析。 1 4 2 课题研究目的 本课题的研究目的是通过对某型号惯性落砂机框体静力学和动力学分析， 得到相应的分析数据，了解和分析该落砂机框体结构的静态和动态特性，为落 砂机结构设计和优化提供依据。 1 4 3 研究内容 本课题的具体内容有以下几点： ( 1 ) 了解惯性振动落砂机工作原理及应用，掌握落砂机框体的结构特点。 ( 2 ) 使用三维建模软件p r o e 建立准确的落砂机框体三维实体模型。综合考虑 模型的特点和后续有限元计算等因素，对模型进行合理的简化。使用h y p e r m e s h 对落 砂机框体三维模型进行前处理，使之转化为有限元模型。 ( 3 ) 根据实际工作情况对落砂机框体进行静力学分析，得到框体工作过程中受 外力作用下的应力分布情况，找出大应力区域，确认框体结构设计可靠性。 ( 4 ) 对落砂机框体进行模态分析，得出其固有频率和相应的振型。通过分析振 型图，找出框体结构振动的薄弱环节。 ( 5 ) 对落砂机框体进行动载荷的频率响应分析。通过分析响应点的频率响应位 移曲线图，找出落砂机框体结构在外界宽频激励下，被激起共振的频率区域。 4 第二章有限元理论基础 2 1 有限单元法概述 有限单元法是在当今工程分析中被广泛应用的数值计算方法，由于它的有 效性和通用性，受到工程技术界的高度重视。随着计算机科学和技术的迅猛发 展，现已成为计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 的重要组成部 分。 2 1 1 有限元单元法的基本思想 有限单元法( 或称有限元法) 的基本思想是通过单元或节点的描述，把复 杂连续体的结构合理地划分为有限个小单元，通过这些有限个小单元的组合， 求解由单元所描述的结构整体行为。即先对单元进行分析，再把这些单元组合 起来代表原来的结构。这种先化整为零和再积零为整的方法称为有限单元法。 具体来说，运用有限元法进行结构分析时，首先将被分析的结构离散化成为许 多小单元，其次给定材料特性、边界条件和载荷，再求解线性或非线性方程组， 得到应力、应变、位移等结果，最后使用图形技术在计算机上显示出计算结果 0 2 1 。 在物理或工程问题的数学模型( 基本变量、基本方程、求解域、边界条件 等) 确定以后，有限单元法作为对该数学模型进行分析的数值计算法的要点可 归纳如下【1 3 】： ( 1 ) 将一个表示结构的求解域离散为若干个子域，并把它们边界上的结点相 互联结成为组合体。 ( 2 ) 用每个单元内所假设的近似函数分片地来表示全求解域内待求的未知 场变量。用未知场函数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达 每个单元内的近似函数。由于连结相邻单元结点上的场函数具有相同的数值， 因此它们可以用作数值求解的基本未知量，求解原先待求场函数无穷多自由度 的问题便转化为求解场函数结点值有限自由度的问题。 ( 3 ) 通过运用原问题的数学模型( 边界条件、基本方程) 等效的加权余量法 或变分原理，建立基本未知量( 场函数的结点值) 的常微分方程组或代数方程 组，再用数值方法求解此方程组，从而得到问题的解答。 2 1 2 有限单元方程的解法0 3 1 现在用于大型复杂工程问题的有限元分析的自由度数目可以达到几十万个 甚至上百万个，这与计算机软、硬件发展相配合的大型方程组解法的研究进展 密不可分。有限元求解的问题从性质上可以分为三类： ( 1 ) 独立于时间的平衡问题( 或稳态问题) 5 独立于时间的平衡问题可以归结为求解系数矩阵元素的对角线附近稀疏分 布的线性代数方程组。对于常见的结构应力分析问题，求解的是对应给定载荷 下结构的应力和位移，此类问题目前主要采用直接法。 ( 2 ) 特征值问题 特征值问题也是稳态问题，但求解的是齐次方程。求解时使方程存在非零 界的特征值和与之对应的特征模态。在实际应用中，特征值代表的是振动的固 有频率和振型。针对求解大型矩阵特征值问题，先后发展了幂迭代法、同步迭 代法、子空间迭代法等。近1 0 多年来，l a c z o s 向量直接叠加法和罩兹( r i t z ) 向量直接叠加法，由于它们具有更高的计算效率而受到广泛应用。 ( 3 ) 依赖于时间的瞬态问题 这类问题的方程是节点自由度对于时间的一阶、二阶导数的常微方程组， 求解的是在随时间变化的载荷作用下的结构内应力和位移的动态响应，或是波 动在介质中的反射、传播等。此类问题的求解主要是采用对常微分方程组直接 进行数值积分的时间逐步积分法。依据所导出的代数方程组是否需要联立求解， 可区分为，时间步长受算法稳定限制的显式算法( 如中心差分法) 以及时间步 长只受求解精度限制的隐式算法( n e w m a r k 法) 。为了更有效地求解不同刚度 的介质、材料或单元尺寸在同一问题中耦合作用所形成的方程，常采用显式一 隐式相结合的算法。此外，模态综合法是动力分析中经常采用的有效的方法。 2 1 3 有限单元法的工程应用 1 4 1 自从2 0 世纪6 0 年代美国的rwc l u g h 博士首次提出“有限单元法 这一 概念以来，经过5 0 多年的发展，有限单元法己成为当今工程分析中应用最广泛 的一种数值计算方法。在机械设计领域，有限单元法可以用于从轴、轴承、齿 轮等通用零部件到机床、汽车、飞机等复杂结构件的静动态分析，能较准确的 计算出这些复杂形状零部件的应变、应力分布，成为这些复杂构件刚度、强度 计算分析工具。同时在流体力学、热力学、电路学和电磁学等领域，采用有限 单元法计算，同样可以获得一个足够精确的近似值来满足工程的要求。 随着计算机软硬件技术的飞速发展和应用，产生了许多通用的有限元分析 软件。它们将有限元分析、计算机图形学与优化技术相结合，形成完整的c a e 分析系统。利用通用有限元分析软件可以显著提高产品设计性能，缩短设计周 期，增强产品的市场竞争力。 2 2 有限元法进行结构分析的步骤 对于不同数学模型和物理性质的求解问题，有限元求解法的基本步骤是相 6 同的，只是具体公式推导和运算求解不同。从使用有限元分析程序的角度看， 有限元分析可分为三个步骤，即有限元分析的前处理、计算和后处理。图2 - 1 为采用有限元法进行结构分析的一般流程。 图2 1 有限元法进行结构分析的一般流程 ( 1 ) 前处理 1 ) 建立分析结构的几何模型。对于几何形状复杂的结构，可以在专业三维 软件中建模，然后以i g e s 等通用格式输入有限元分析软件。 2 ) 根据分析目的和对象，确定有限元划分网格的方案( 单元类型、单元的密 度和数量) 和装配方案( 连接关系位置和类型) ，建立有限元模型。 3 ) 确定并施加边界条件( 结构所受的约束和载荷) 。 4 ) 交互式图形显示。 ( 2 ) 计算形成经约束处理后总刚度方程，求解大型联立线性方程组，最 终得到节点位移。可以选择程序所提供的各种求解方法进行求解。 ( 3 ) 后处理对计算输出的结果( 位移、应力或振型等) 进行必要的处理并 按一定的方式( 如变形图、等应力线、振型图等) 显示或打印出来，以便对分析 对象的设计的合理性或性能进行分析、评估，从而做出相应的改进和优化。 2 3 有限元分析软件h y p e r w o r k s 简介【1 5 1 7 】 2 3 1 h y p e r w o r k s 软件功能简介 美国a l t a i r 公司的开发h y p e r w o r k s 是一个创新、开放的c a e 平台，它集 成各种完备的设计与分析所需的工具，具有开放性、灵活性和界面友好等特点。 h y p e r w o r k s 主要包括h y p e r m e s h 、a l t a i ro p t i s t r u c t 、h y p e r v i e w 、h y p e r g r a p h 等模块。 ( 1 ) h y p e r m e s h a l t a i rh y p e r m e s h 是独立于求解器的有限元分析前后处理平台，拥有全面 的c a d 和c a e 求解器接口，具有强大的几何清理、网格划分以及模型装配等 功能。h y p e r m e s h 基本的功能一般包括： 1 ) 几何对象的创建和编辑 可在g e o m e t r y 页面中运用草图编辑工具创建新模型和对已有模型进行编 辑修改。 2 ) 几何清理 为进一步建立有限元模型，需要对导入的c a d 模型进行简化处理。几何 清理包括对导入的c a d 模型进行模型中面的抽取、拓扑修复、改善模型的拓 扑关系等。 3 ) 网格划分 网格划分分三个子模板，即：线单元一维网格的划分、面单元二维网格的 划分和体单元三维网格的划分。根据划分对象的不同，提供了功能强大的有限 元网格划分工具，包括弦差控制网格划分、利用质量指标( q i ) 创建高质量网 格、批处理网格划分、针对流体c f d 仿真的网格划分等。 4 ) 网格质量检查与优化 h y p e r m e s h 提供了按照用户给定值检查网格质量的工肛c h e e ke l e m s 面 板，该面板可以检查所画单元的质量和这些单元的几何质量，包括一维单元的 自由端，二维单元的j a c o b i a n 值及最大、最小内角，三维单元的翘曲度、扭曲 度等。在h y p e r m e s h 的q u a l i t yi n d e x 面板中，可以通过质量指标( o i ) 值对网 格质量进行全面的质量评价。根据单元质量的评价指标( q i ) 值，通过s m o o t h 可以实现单元形状的变化或改变相邻单元的质量。 5 ) 模型的装配 h y p e r m e s h 提供连接体( c o n n e c t o r s ) 来实现零部件的装配。通过连接体 可以定义部件之间的连接，包括缝焊接、点焊、粘合或螺栓连接，并在此基础 8 上创建焊接单元。 6 ) 边界条件的创建 有限元中的边界条件在h y p e r m e s h 中可以通过载荷( l o a d s ) 进行定义， 包括定义载荷条件、位移约束、热边界条件等。 7 ) 后处理工具 h y p e r m e s h 提供完备的后处理功能组件，可以通过变形、云图、等值面、 瞬变、矢量图和截面云图等方式表现结果，并支持变形、线性及瞬变动画显示。 8 ) 全面的c a d 和c a e 求解器接口 h y p e r m e s h 可以与所有主流c a d 系统和c a e 求解器协同合作，建造一个 统一的工程环境。 ( 2 ) a l t a i ro p t i s t r u c t o p t i s t r u c t 是结构分析及优化软件。它是以有限元法为基础的结构优化设 计工具，提供全面的拓扑、形状、形貌、尺寸等优化解决方案。 ( 3 ) h y p e r v i e w h y p e r v i e w 是一个功能强大的后处理工具，可以处理有限元分析、多体系 统仿真、视频和工程等数据。 ( 4 ) h y p e r g r a p h h y p e r g r a p h 是一个完整的数据分析和图表工具，具有多种广泛应用的工程文件 格式接口、强大的数据分析和图表绘制功能，可绘制二维图、柱形图及幅值相位图。 2 3 2h y p e r w o r k s 进行有限元分析的主要步骤 利用h y p e r w o r k s 进行有限元分析，前处理在h y p e r m e s h 中完成；求解时 可以根据分析对象的要求选择不同的求解器，一般的分析问题可以使用 o p t i s t r u c t 或a n a l y s i s 求解，优化设计问题则使用o p t i s t r u c t 求解；后处理可以 直接使用h y p e r v i e w ，也可以选用h y p e r m e s h 的后处理功能。图2 2 为 h y p e r w o r k s 有限元分析的主要步骤。 9 ， 封分单元 ，、 设置计算参数 导入文件 ( 1d 2 d 3 d ) ( h m c a d f e m ) j ，r、 单元检查与优化 ，、 ，、 输出有限元文件 设置模板 ( c h e c ke l e m s ( t e m p l a t e )q u a l i t yi n d e x ) l1r 厂、 ，、 利用 1r 几何清理 建立载荷集 a n a l y s i s o p t i s t r u c t ( g e o m e t r yc l e a n u p ) lj ( l o a dc o l l e c t o r s ) 求解器求解 r 1r 建立材料卡片 1r 施加载荷 ( m a tc o l l e c t o r s ) h y p e r v i e w 或 l ( f o r c e s c o n s t r a i n s ) l h y p e r m e s h 后处理 lj ， 、 1r 建立几何及单元集 建立载荷工况 ( c o m pc o l l e c t o r s ) j ( l o a ds t e p ) l， 图2 - 2h y p e r w o r k s 有限元分析的主要步骤 2 4 本章小结 本章主要介绍了有限元单元法的思想和算法及应用、有限元软件 h y p e r w o r k s 的各个模块及用途、有限元分析主要步骤等。为后续对落砂机框体 有限元分析提供了理论基础和软件支持。 l o 第三章落砂机框体的静力学分析 对落砂机框体进行有限元分析，首先要建立落砂机框体三维模型。由于框 体体积大且结构复杂，如果直接在c a e 软件中建立落砂机框体的三维模型，其 工作量非常大，不仅耗时而且容易出错。大型零件有限元分析所用的c a d 模 型通常采用三维软件进行实体建模，然后以s t e p 、i g s 、或s a t 等格式的文 件导出，再将模型导入c a e 软件中。本文的落砂机框体采用了p t c 公司的三 维软件p r o e 进行建模。 3 1 三维软件p r o e n g i n e e r p r o e n g i n e e r 3 0 是美国参数技术公司( p t c ) 推出的一个全方位的3 d 产 品开发软件，它具有基于特征、全相关、全参数、单一数据库等特点，能将产 品从设计到生产的过程集成在一起，可以让所有的用户同时进行同一产品的设 计制造工作。p r o e n g i n e e r 3 0 目前共有8 0 多个专用模块，涉及机械设计、 工业设计、加工制造和功能仿真等方面，为用户提供全套解决方案【1 8 】。 3 1 1p r o e n g i n e e r 功能模块 1 9 1 ( 1 ) p r o e n g i n e e r 设计的基本模块：基于特征的参数化零件设计、基 本装配功能、钣金设计、工程图设计及二维图绘制等。 ( 2 ) 复杂零件的曲面设计模块：参数化曲面设计、曲面分析、逆向工程工 具功能等。 ( 3 ) 复杂产品的装配设计模块：大装配的操作、装配流程的生成等。 ( 4 ) 运动仿真模块：机械运动性能的仿真、运动学及动力学分析等。 ( 5 ) 结构强度分析模块：静态、模态及动态响应分析、线性及非线性分析 等。 ( 6 ) 疲劳分析模块：预估破坏及循环次数、疲劳可靠性分析。 ( 7 ) 塑料流动分析模块：注射模过程仿真；注射时间、熔接痕、填充强度 分析等。 ( 8 ) 热分析模块：热性能分析、稳态及瞬态性能分析、结构强度分析等。 ( 9 ) 公差分析及优化模块：评价装配质量、确定临界质量、优化零件及装 配的工艺性。 ( 1 0 ) 数控编程模块：材料切削仿真等。 ( 1 1 ) 数控仿真及优化模块：n c 仿真、n c 优化、n c 机床仿真等。 ( 1 2 ) 模具设计模块：冲模、塑料注射模、压铸模的快速设计。 3 1 2p r o e n g i n e e r 参数化设计技术 参数化设计是机械设计的一个发展趋势。参数化设计技术就是在保持给定 的约束条件和几何拓扑结构的前提下，按用户给定的参数值刷新模型。这要求 参数化设计系统必须保存图形的几何和拓扑信息，以及图形元素之间的各种约 束关系。参数化设计的零件或部件的形状比较好定型，用一组参数约束该几何 图形的一组结构尺寸序列，参数化设计对象的控制尺寸有显示对应，当赋予不 同参数序列值时，就可以驱动达到新的目标几何图形，其设计结果包含设计信 息的模型。 在参数驱动过程中，由c a d 系统对整个模型的约束集进行分析和求解， 简化了设计工作，提高了工作效率。因此，参数化设计是规格化、系列化产品 设计的一种简单、高效、优质的设计方法1 2 0 。 p r o e n g i n e e r 软件是基于特征的参数化设计软件，该软件中创建的三 维模型是一种全参数化的三维模型。“全参数化”有三个层面的含义，即特征截 面几何的全参数化、零件模型的全参数化以及装配体模型的全参数化d 9 。 3 1 3p r o e n g i n e e r 产品设计的全相关性 p r o e n g i n e e r 产品设计中零件模型、装配模型、制造模型和工程图之 间是全相关的，工程图的尺寸被改动以后，其父零件模型的尺寸也做相应的更 改。反之，零件、装配或制造模型中的任何改变，也在其相应的工程图中反映 出来。 3 1 4p r o e n g i n e e r 产品设计方法 p r o e n g i n e e r 产品的设计方法一般分为两种，即：自底向上( d o w n t o p ) 的设计方法和自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，这两种方法也可以同 时进行。 ( 1 ) 自底向上：其设计过程是从零件开始，然后装配、总装配、整体外观 的设计过程。自底向上的设计方法适用于装配关系比较简单的零件。 ( 2 ) 自顶向下：其设计过程是从整体外观( 或总装配) 开始，然后到子装 配、零件的设计方式。与自底向上相反，自顶向下的设计方法一般是在装配体 中完成零件的绘制与配合。自顶向下的设计方法适用于精度要求很高，装配关 系复杂的零件。 3 2 落砂机框体实体模型的建立 3 2 1 落砂机框体三维实体模型的建立 落砂机框体结构复杂，由2 0 0 多个零部件焊接而成，落砂机框体二维装配 1 2 图如图3 一l 所示。由于落砂机框体零件装配关系比较简单，本文的落砂机框体 三维模型的建立是运用自底向上( d o w n - t o p ) 设计方法，首先在p r o e 基本模 块中建立零件实体模型，再按照装配图的要求在p r o e 装配模块进行装配。 a ) 落砂机框体左视图 b ) 落砂机框体右视图 1 3 熟 r 置j q 。n z i 】i 雌 x7 ，：xtl x 着j i x i ：= 1 i x t l 、4 ：、r lr vv 【i i ； l i l 、 l 封 i i i i i 、xx ： i i i i tth _ 、 i | | 一 c ) 落砂机框体俯视图 图31 落砂机框体二维装配图 ( 1 ) 落砂机框体零件模型的建立 在p r o e 中新建文件，文件类型选择零件子类型，选择公制模板，如图3 2a ) 所示。按照蒋砂机框体装配图纸明细表的顺序，在p r o e 基本模块中建立零件 实体模型。 4 0 0 j # 0jm # 0 吐q 镕 c 写目 0 一镕e r ，ru 报曩 0 - - f 目女 0 日m 月 0 亟 * 目 - ，g # o n # 糊 圃 霞霆壁醒露豳圈墼豳 瓤 s d “ | j & 1 4 b ，j f t j c i l t d i 【 蕾碴血虚圈一 口目 圆圃 a ) 零仆子类型模板的设置 一。篙 貔 m ，j# 】h * 一吐 一匠目 ) 醢# 、口m 女 一毒目* ，划月 、强# z 囝i 曰 二 n 日；8 丽幽 b ) 组件子类型模板的设置 图3 - 2p r o e 中模板的设置 丽 ( 2 ) 落砂机框体实体装配图的建立 在p r o e 中新建文件，文件类型选择组件子类型，选择公制模板如图3 - 2b ) 所示。根据落砂机框体结构的特点，在装配过程中，首先放置一个基准零件， 再将其他零件以基准零件为基准，按照装配图的要求，通过装配约束进行连接。 由于落砂机框体结构的对称性，在装配过程中可以使用镜像和阵列功能完成相 同零件的装配，如图3 - 3 所示。 z 1 0 i m f 川 圈3 - 3 落砂机框体侧肋板的阵列 笔 g * 落砂机框体三维实体模型如图3 - 4 所示。 a ) 落砂机框体俯视图 b ) 落砂机框体仰视构图 蚓3 - 4 落砂机框体三维实体模型图 一格栅板2 一格栅端部力筋3 一槽钢肋板4 一侧板5 一侧肋板 6 一拉力管7 一电机底板8 一端板9 框体槽钢1 0 一内力筋 3 21 落砂机框体曲面模型的建立 考虑到框体结构复杂的特点和后续有限元分析中单元的类型和数量等因 素，框体模型全部采用曲而建模。采用曲面建模理由：第一，框体结构基本由 钢板焊接而成，钢板的厚度数值远小于长宽数值，有限元单元可直接采用二维 单元s h e l l 单元( 壳单元) 。第二，采用s h e l l 单元的落砂机框体有限元模 型的节点数量远远小于实体有限元模型节点数量，这样可以大大减少计算量， 节省计算所用的时间。同时，在曲面建模过程中对模型进行简化处理。为了确 保简化处理后的模型分析结果的准确性，必须保留落砂机框体模型的主要结构 特性和力学特性【引i 。本文模型的简化处理是删除框体结构中的螺栓、螺母、倒 角和栅格板上的落砂孔等微小特征。这些微小结构对计算结果的准确性影响不 大，但是在划分网格的时候，对网格精度的要求特别高。若保留这些微小结构， 会增加网格密度，导致整体网格质量下降，计算量不仅倍增而且会出现错误， 致使计算无法进行。参照落砂机框体三维实体模型建立了框体三维曲面模型如 图3 - 5 所示。 图3 - 5p r o e 软件建立的框体三维曲面模型 ，j 3 3 落砂机框体有限元模型的建立 在有限元分析过程中，最重要的足如何根据实际情况建立最台理的有限元 模型，一个合理的有限元模型对计算结果有很大的影响。落砂机有限元模型的 建立包括对导入h y