液压机工作台的轻量化设计说明

1、. . . . 建筑工业学院毕 业 设 计 （说明书） 专业机械设计制造与其自动化班级08机械（3）班 学生飞虎 学号 课题液压机工作台的轻量化设计指导教师 峰老师、扈静老师2012年 6 月 2 日30 / 35液压机工作台的轻量化设计机电学院 机械设计制造与自动化专业08级3班 飞虎指导老师：峰老师、扈静老师摘要传统设计方法中，将工作台简化为线弹性畴的薄板小挠度弯曲问题进行处理。由于工作台实际结构复杂，这种简化无疑存在很大不足，因而考虑采用现今广泛运用的有限元方法进行分析。现建立基于ANSYS的YH27-1250EI-120型液压机移动工作台的有限元模型，模拟工作台工作时的实际工况，对其进

2、行应力、变形分析，给出了不同板厚模型在多种约束和载荷作用下的有限元分析结果，并根据这些分析结果进行优化设计，得出最合适的约束和载荷作用以与最佳的板厚，同时运用拓扑优化的方法对工作台结构作进一步改进，减少了液压机工作台的体积和重量，从而在保证液压机工作台工作需要和使用寿命的前提下，减少工作中的能量损耗，提高钢材利用率。这种分析方法为液压机工作台的轻量化设计提供了方法和思路。关键词：ANSYS；液压机工作台；有限元分析；轻量化设计；拓扑优化。AbstractIn traditional design methods, the work table is simplified as a thin p

3、late bending problem in the range of linear elastic for processing. Because the actual structure of the work table is complex, this simplification is put in very big inadequacy, and considers using today's widely used finite element method to analyze. The finite element model of the YH27-1250EI-

4、120 hydraulic press's workbench was established based on ANSYS softwareThe stress and distortion of the workbench were analyzed by simulating the actual working conditions. This article gives many finite element analysis of the results which is given though different model in many constraint and

5、 load and find the best constraint and load with the results. At the same time, we further improving the structure with the method of topology optimization. Finally we optimize the thickness of the hydraulic machine worktable though finite element analysis of different thickness and reduce the bulk

6、and the weight of the hydraulic machine worktable. We reduce the energy waste and increase the utilization ratio of steel and pledge the need. The analysis method pro vides methods and ideas for the energy-saving design of the hydraulic machine worktable. This analysis method provides methods and id

7、eas for the lightweight design of the hydraulic machine worktable.Key words: ANSYS; hydraulic machine worktable; finite element analysis; lightweight design; Topology optimization.目录摘要iAbstractii1 引言12 有限元软件简介与轻量化现状22.1 有限元软件简介22.2 国外轻量化发展现状23 工作台的理论分析与基于ANSYS的限元分析43.1 企业给出的设计条件与提出的设计要求43.2 工作台的理论计算

8、43.2.1 传统设计下工作台模型的力学计算43.2.2 薄板模型的有限元分析与与传统计算结果的比较53.2.3 实体模型与薄板模型有限元分析结果的比较74 液压机工作台的有限元分析94.1 工作台有限元分析几何模型的建立与其优化处理94.2 约束方式与分网精度的确定95 液压机工作台的初步轻量化与改进145.1 上板轻量化的有限元计算145.2 筋板位置改进166 液压机工作台的拓扑优化与最终轻量化186.1 拓扑优化模型的建立与初步优化方案的提出186.2 两种方案下工作台的拓扑优化196.3 进一步提出拓扑优化方案与轻量化最终结果23总结25词26参考文献28附录291 引言现代工业生产

9、中，冲压、锻造等各种塑性成形方法的实现，液压机都是必不可少的设备1。然而，我国现今液压机主体结构的设计更多采用的仍然是传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法2。其存在诸多弊端，如设计周期长、设计准确性不易保证、结构组件冗余、用材质量大等，从而致使产品设计制造成本过高，削弱了企业的竞争力。于是，人们一直努力探索更加先进的液压机本体设计方法。目前，国对液压机本体结构的设计和研究正逐渐从主要依靠经验设计发展到采用CADCAE等现代设计方法，在大型液压机模块化快速设计的理论、方法与CADCAPPCAM等方面进行了一定的探索和研究，但仍未像汽车或其他领域应用那样广泛和成熟3，所以液压机本体结构的研究

10、仍是近些年的重要研究领域。液压机工作台作为液压机本体的一个重要部件，也是人们进行液压机本体结构研究的一项重要容。本文是对YH27-1250EI-120型液压机本体的一个重要部件移动工作台进行轻量化设计，使其最终达到企业提出的使用要求，又能最大限度地节省材料，降低成本。文中采用有限元分析的方法，对工作台的应力和变形等进行分析，进而进行轻量化，同时采用拓扑优化的方法，实现了工作台结构的进一步改进，有效减轻了其质量，较好的实现了工作台的优化设计。这种分析方法可为以后其他类似规格的液压机工作台的尺寸和结构提供参考，提供的方法可为液压机其他部件的设计，乃至相关机械产品的设计提供一个参照和依据，因而具有重

11、要的现实意义和实用价值。2 有限元软件简介与轻量化现状2.1 有限元软件简介有限元分析是针对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元法发展到今天，各种通用程序和专用程序求解功能都很齐全，并且己经商品化，前、后处理都非常方便，常用的有ANSYS，NASTRAN，ADI，ASKA，SAP等。本课题在研究中，选用了国际上通用的ANSYS软件。ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，功能完备的前、后处理器使ANSYS易学易用，强大的图形处理能力以与实用工具使得使用者们得心应手，多种平台支持（NT、LINUX、UNIX）和异种异构网络浮动，各种硬件平台数据库兼容，使其功能一致，界面统

12、一。目前，ANSYS已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业与科学研究。 ANSYS软件具有多种分析能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场与碰撞等问题的解答。它包含了前处理、解题程序以与后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。2.2 国外轻量化发展现状受能源和环境保护的压力，工业发达国家较早就开始了轻量化设计研究。但是研究多集中在使用轻金属以与现代复合材料代替原有材料上，从而减

13、轻重量。然而，这些新材料应用成本很高，难以在较短时间推广与普与。传统材料如钢材，由于其强度高、成本低、工艺成熟，并且是最有利于回收循环利用的材料。因此，利用钢材实现轻量化的可能性备受关注。近年来，随着汽车数量的迅猛增长，能源的消耗也在大量增长，目前国外的轻量化设计研究都主要集中在车辆上。车辆轻量化是实现节能、安全、环保的重要措施。资料表明，车重减轻10%，燃油消耗可降低6%-8%。所以针对车辆的轻量化设计有效减少了车辆的燃油消耗，从而节约能量，有利于可持续发展。降低油耗、提高燃油经济性、减少排放有多种手段。从国际上看，解决汽车节能环保问题主要采用以下3种方式。一是大力发展新能源汽车，通过采用先

14、进发动机技术和推广使用气体燃料、生物质燃料、煤基燃料、电动汽车等增加替代能源来减少汽车燃油消耗和对石油资源的依赖。二是大力发展先进发动机技术，通过一系列电子技术的应用，提高燃烧效率，改善燃油经济性。三是大力发展汽车轻量化技术，在保障汽车安全性和其他基本性能的前提下，通过减轻汽车自重来实现节能减排4。比较以上3种技术路线，在当今发动机技术提升难度日益加大的背景下，尤其对于传统汽车来说，大力发展并推进汽车轻量化技术成为节能、减排的主导。世界各汽车发达国家都对轻量化方面投入了相当大的人力和财力。如美国在上世纪90年代推行的新一代轿车合作伙伴计划（即PNGV计划），通过该计划的实施，生产出百公里耗油3

15、 L的新一代轿车，其安全性和舒适性基本保持不变，而且排放也减少到原车型的1/3，在这一计划的影响下，世界各汽车发达国家，先后制造出百公里耗油3 L的汽车，开始了轻量化的研发工作。面对世界各国日益严格的碰撞法规，汽车轻量化所面临的一个重要问题是如何满足车辆的碰撞法规，保证车辆的安全性。这不仅需要先进高强度材料的研发和应用，更需要相关工业的支持与配合。所以，汽车轻量化技术是在满足汽车使用要求和成本控制的条件下，轻量化设计技术与轻量化材料、轻量化制造技术的集成应用。新材料的应用决不是对原有材料的简单替代，而是一个涉与到技术、经济、安全、环境等诸多方面的复杂系统工程，需要从材料到零部件优化设计和检测技

16、术、先进制造技术、材料回收再生技术、零部件维修技术等一系列关键支撑技术的突破。轻量化技术对于我国汽车工业来说，是国家能源安全战略的需要，也是节能减排战略的需要，更是提高我国自主品牌汽车国际竞争力的需要。与国外同类车型相比，当前我国自主品牌汽车轻量化水平整体较低，安全性较差，消费者的认可度相对偏低。对于消费者来说，乘用车轻量化直接利益是提高燃油经济性、安全性； 而商用车轻量化，则可以有效提高车辆的载质量系数（即有效载荷与车辆自重的比值），提高平均燃油效率，从而降低油耗，减少运营成本。3 工作台的理论分析与基于ANSYS的限元分析3.1 企业给出的设计条件与提出的设计要求此次设计是对锻压机床厂YH

17、27-1250EI-120型液压机移动工作台进行轻量化设计。企业提供的原始数据如下表3.1：表3.1 工作台主要技术参数名称容工作台总体尺寸中间与下横梁上垫板配合工作部分尺寸公称压力工作时上砧与工作台的接触部分尺寸mm液压机下横梁材料：，工作台材料：，材料在常温下的性能参数为：弹性模量，泊松比，密度，屈服极限=。厂方提出的设计要求:对此种型号的移动工作台进行轻量化设计，要求整个装置上最大应力。3.2 工作台的理论计算3.2.1 传统设计下工作台模型的力学计算结合工作台实际结构、工况等将工作台简化为线弹性畴的薄板模型，进而按照等厚度薄板的小挠度弯曲问题的进行计算。考虑到与ANSYS中有限元结果的

18、比较，分别计算薄板四边简支和四边全约束两种情况下的结果。查机械设计手册第一卷薄板部分相关容进行计算如下：设w为挠度；为应力；q为工作台均布力（N/mm2 ）；a为工作台板长（mm）；b为工作台板宽（mm）；t为工作台板高（mm）；E=2105（N/mm2）；F为工作台总受力大小；S为工作台总面积。选取参数a=3560mm，b=1760mm，t=340mm。（1）四边简支情况下的计算：由a/b=2，查表得c0=0.1106，c1=0.6102。结果： 图a 四边简支（2）四边全约束情况下的计算：由a/b=2，查表得c3=0.0277，c6=0.4974。图b 四边全约束结果：3.2.2 薄板模型

19、的有限元分析与与传统计算结果的比较选择线弹性的SHELL63单元，定义弹性模量，泊松比。创建一个矩形面，截面尺寸：a=3560,b=1760，并定义厚度实常数，即t=340。在薄板中间的面域施加的均布载荷。得到四边简支和四边全约束两种约束方式下的应力、位移云图5，如图3.1所示。与传统计算结果的比较如表3.2所示。a） 四边简支应力云图b） 四边简支位移云图c） 四边全约束应力云图d） 四边全约束位移云图图3.1 四边简支和四边全约束两种约束方式下的计算结果表3.2 传统计算和ANSYS有限元计算在不同约束方式下计算结果之间的比较序号约束方式比较容传统计算有限元计算绝对差值相对差值相差大小1四

20、边简支应力（Mpa）32.7032.9050.2050.627%较小2位移（mm）0.27000.2700.000.00%较小3四边全约束应力（Mpa）26.6625.421.244.65%较小4位移（mm）0.06760.06780.00010.148%较小得出结论：（1）传统计算方法中不同约束方式下的薄板模型计算结果相差较大。 （2）有限元分析方法中不同的约束方式下的计算结果相差也较大。 （3）传统计算方法与有限元分析方法在同样的约束条件下的计算结果相差很小，这充分验证了有限元方法的正确性。3.2.3 实体模型与薄板模型有限元分析结果的比较考虑到工作台实际结构的复杂性，工作台的实际模型而应

21、当归于空间问题，而不应当是薄板问题，故而考虑选择空间实体单元类型SOLID 45进行分析计算6，并得到应力与位移云图，如图3.2。表3.3表示的是实体模型与薄板模型有限元分析结果之间的比较。a） 四边简支位移云图b） 四边简支应力云图c） 四边全约束位移云图d） 四边全约束应力云图图3.2四边简支和四边全约束两种约束方式下的计算结果表3.3 实体模型与薄板模型有限元分析结果的比较序号约束方式比较容实体模型计算结果薄板模型计算结果绝对差值相对差值相差大小1四边简支应力（Mpa）31.84232.9051.0633.34%较大2位移（mm）0.3350.2700.06519.40%较大3四边全约束

22、应力（Mpa）8.9825.4216.44183.07%较大4位移（mm）0.2360.06780.168271.27%较大得出结论：不同的约束方式下两种模型的计算结果相差较大，说明不同的单元类型对有限元结果影响较大，因而应选择合适的单元类型进行计算。同时，传统设计方法中忽略工作台的实际结构而将其简化为薄板模型具有明显的缺陷和不足，因而有待改进。4 液压机工作台的有限元分析4.1 工作台有限元分析几何模型的建立与其优化处理首先在Pro/E中建立三维实体几何模型7,如图4.1所示（具体的建模过程这里不再赘述）。考虑有限元分析的需要，因而有必要对工作台的几何模型进行必要的优化处理8。对工作台的螺纹

23、孔、移送机构、吊运结构、定位结构以与工作台上表面孔等结构作必要简化。同时考虑到液压机工作台本身尺寸的庞大，从而将与下横梁上垫板配合工作部分厚度尺寸减小为以在同样的模型条件下进行约束方式的比较确定。最后利用对称性，取工作台经上述简化处理结构的1/4作为简化得到的液压机工作台的几何模型，如图4.2所示。图4.1工作台原始几何模型图4.2改进之后几何模型4.2 约束方式与分网精度的确定采用ANSYS提供的8结点SOLID 45三维实体单元类型，材料：，弹性模量，泊松比，密度。选择液压机满载时的最危险工况进行分析，该液压机的公称压力为1250t，均布面载，加载区域面积S，去除该区域槽以与顶出孔所占面积

24、S1和S2后，实际加载面积为S3，则可计算出实际均布载荷大小q2：加载区域面积：槽面积：顶出孔面积：则可得实际加载面积：所以均布载荷：另外，由于只选取工作台整体结构的1/4结构进行分析，因而需施加对称约束。图4.3表示的是面载荷约束与对称约束施加的示意图。为确定合适的分网精度。选择上面建立的工作台几何模型，统一用底面边线的全约束方式下计算结果的应力值作为参照比较的依据，分别计算得到分网精度分别为10、9、8、7、6时的结果,得到对应分网精度下的最大应力107.406Mpa，123.198Mpa，134.043Mpa，139.122Mpa，141.470Mpa，图4.4表示的是对分网精度的提高，

25、应力值的变化曲线图。考虑到硬件条件与计算时间、规模等因素，从而最终确定整体的分网精度为7级精度，这是一个比较切合实际的精度。图4.3面载荷与对称约束图4.4不同精度应力值曲线对工作台的位移约束进行分析，以确定最为合适的位移约束，考虑思考以下两点：（1）将约束加载在工作台底面板边线上，并分别采用四边简支和四边全约束两种方式；（2）将约束加载到工作台底面板底面上，也采用四边简支和四边全约束两种方式；从而，综合以上分析结果提出以下四种可行的约束方案：（1）工作台底面板边线四边简支 （2）工作台底面板边线四边全约束（3）工作台底面板底面四边简支（4）工作台底面板底面四边全约束按照以上优化得到的几何模型

26、和确定的分网精度，分别采用以上提出的各种约束方案进行有限元分析，得出有限元分析结果，比较分析确定最合适的约束方式。有限元分析结果如图4.5、图4.6、图4.7、图4.8、图4.9、图4.10、图4.11、图4.12；有限元计算结果的分析比较如表4.1、表4.2、表4.3、表4.4所示。图4.5边线简支位移云图图4.6边线简支应力云图图4.7边线全约束位移云图图4.8边线全约束应力云图图4.9底面简支位移云图图4.10底面简支应力云图图4.11底面全约束位移云图图4.12底面全约束应力云图表4.1 线上约束和面上约束计算结果的比较序号约束方式比较容线上约束面上约束绝对差值相对差值相对差值1简支应

27、力（Mpa）138.309137.8120.4970.36%较小位移（mm）0.8980.8940.0040.45%较小2全约束应力（Mpa）73.5572.9160.6340.86%较小位移（mm）0.5910.5580.0335.58%较大表4.2 简支约束和全约束计算结果的比较序号约束方式比较容简支约束全约束绝对差值相对差值相对差值1线约束应力（Mpa）138.30973.5564.75946.82%较大位移（mm）0.8980.5910.30734.19%较大3面约束应力（Mpa）137.81272.91664.89647.09%较大位移（mm）0.8940.5580.33642.04

28、%较大得出结论：（1） 线上约束与面上约束的计算结果相差较小，说明将位移约束施加在线上约束和面上约束对有限元计算结果影响较小，而且线上约束的计算结果相对较大。 （2） 在施加位移约束时简支约束和全约束的计算结果相差较大，说明选择简支约束与全约束对有限元计算结果影响较大，而且简支约束的计算结果相对偏大。 经过对上述各种约束方案的分析比较与与锻压厂主任工程师与指导老师的讨论，最终确定工作台底面板底面四边简支的位移约束方式作为工作台的位移约束方式。5 液压机工作台的初步轻量化与改进5.1 上板轻量化的有限元计算采用锻压厂提出的要求，即在满足企业提出的的条件下试图尽量减小工作台与下横梁上垫板配合工作部

29、分尺寸以达到轻量化的目的。分别计算了厚度为、与的有限元计算结果。得到其对应尺寸下的有限元分析结果如图5.1、图5.2、图5.3、图5.4、图5.5、图5.6；有限元计算结果如表5.1。可以发现当厚度减薄到时已超过的限制，故而再增加，即计算下的应力值，得到结果152.422Mpa,可见仍已超过的限制，故而选择作为该尺寸的轻量化结果。图5.1 厚度340mm时的应力云图以与位移云图图5.2 厚度320mm时的应力云图以与位移云图图5.3 厚度300mm时的应力云图以与位移云图图5.4 厚度290mm时的应力云图以与位移云图图5.5 厚度280mm时的应力云图以与位移云图图5.6 厚度285mm时的

30、应力云图以与位移云图表5.1上板不同厚度值的有限元计算结果厚度值/mm340320300290280285应力/Mpa117.563124.418137.812146.571160.401152.422位移/mm0.7030.8060.8941.001.081.04 通过有限元方法实现了的轻量化，可以看出轻量化的效果是十分明显的，且能很好地达到企业提出的使用要求。然而，以上只是根据厂方提出的设计思想，即采用减薄工作台与下横梁上垫板配合工作部分尺寸来达到轻量化的目的。实际工作台中，其结构的位置、尺寸等也可以有进一步优化的必要和可能性。因而有必要在初步轻量化结果的基础上继续对工作台进行必要的分析，

31、从而进一步优化工作台的结构，最终达到优化结构和尺寸的目的，以求得到更好的设计结果。5.2 筋板位置改进 在优化设计应用领域中，结构优化设计是其中应用较为广泛的领域，其大致包括了尺寸优化（Sizing Optimization）、形状优化（Shape Optimization）和拓扑优化（Topology Optimization）。其中，拓扑优化是结构优化设计的最高层次，它是指将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域寻求最优材料分布问题，以确保诸如整体剐度、自振频率等在满足工程要求的条件下获得极大或极小值9。以上已实现了工作台上板厚度的轻量化，但此时工作台的整体应力仍有进一步优化的空间，

32、故考虑采用优化设计的方法对上工作台作进一步的优化改进。由于工作台是焊接而成，工作台外板之间为中空结构，其间布置加强筋，上板开设的顶出孔也是用于由中心棒顶出工件或者废料所用，故而整体工作台结构上没有多少改进的余地。考虑采用拓扑优化的方法探究工作台外板之间合理的材料分布，从而为筋板位置的优化改进提供指导和依据。6 液压机工作台的拓扑优化与最终轻量化6.1 拓扑优化模型的建立与初步优化方案的提出 只保留需要保留的结构和整体框架结构以与总体尺寸等，以运用拓扑优化的方法建立工作台的拓扑结构，从而建立用于拓扑优化的工作台初始几何模型，如图6.1所示。图6.1 拓扑优化模型在ANSYS中进行拓扑优化时至少要

33、建立两种单元类型，而且必须有一个单元类型的单元编号为1，ANSYS提供的可用于拓扑优化的三维实体单元包括SOLID92和SOLID95，这里选择具有二次方位移的10节点SOLID92单元类型。由于ANSYS只对单元类型编号为1的单元进行拓扑优化10，从而可以利用这一特性提出两种要优化和不优化的区域的方案，即分别将工作台下方原空槽部分以与工作台下方实体全部选择作为优化区域，如图6.2所示。图6.3表示的是对应方案下的单元类型1显示图。图6.2两种方案下优化区域示意图图6.3两种方案下单元类型1显示图6.2 两种方案下工作台的拓扑优化按照上述两种方案，定义基于1个静力载荷工况的拓扑优化函数，同时以

34、ANSYS提供的专门用于预定义总体积的VOLUME函数作为约束函数，定义去除材料的百分比作为约束条件，分别定义去除材料的百分比为30、50、80，以与按工作台原始尺寸去除材料的百分比（两种方案下的百分比分别为92.73%，94.26%）进行分析对比。定义拓扑优化函数之后，需要为优化计算过程选择合适的求解方法。ANSYS用户提供了两种优化算法，即选择优化准则法（OC）或序贯凸函数寻优法（SCP），这里选择默认的适用于以体积作为约束条件的问题的OC法。定义收敛公差为0.001，进行6次迭代。得出拓扑优化结果，如图6.4、图6.5所示。（由于篇幅的限制，这里只列出两种方案下去材料的百分比分别为50%

35、绘制得到的拓扑优化单元伪密度图，以与拓扑优化结果11。（密度值为0.81之间），而对于节点伪密度图以与拓扑目标函数和约束函数的迭代历程曲线等这里不再附出。对于其他取出材料百分比这里也不再列出。）图6.4 方案一下去除材料50%单元伪密度图与拓扑优化结果图6.5 方案二下去除材料50%单元伪密度图与拓扑优化结果为了更准确全面地对拓扑优化结果进行分析，因而又必要对原有结构进行上述几何拓扑优化简化之后的模型的应力和变形状况作一些有限元分析，该模型得到的有限元结果如图6.6所示。具体有限元过程与上面轻量化过程类似，此处不再赘述。图6.6 拓扑优化模型应力与位移云图通过对工作台结构两种方案的拓扑优化结果

36、分析，可以得出以下结论：（1）两种方案中短边中间部分材料在去处材料30%时即首先被去除，故而工作台原结构中在短边中间没有加筋板时合理的。（2）两种方案中短边上的“空洞”总是随着去除材料百分比的逐渐增大而逐渐向边缘靠近。故而短边上的筋板可以考虑向边缘移动一些。（3）两种方案中两边交界处区域靠部分始终未被去除，而且从应力图可知，这部分区域有应力集中现象，因而考虑将工作台长边上靠近短边的筋板再向短边移动一些。根据以上得出的结论对上述轻量化结果作进一步的改进并提出以下改进方案：（1）工作台长边上靠近短边的筋板再向短边移动。（2）工作台短边上的筋板向边缘移动。结构改进之后的三维实体模型如图6.7所示。并

37、对改进之后的工作台模型进行有限元计算，得到的应力、位移云图如图6.8所示。图6.7 改进后几何模型图6.8改进后的工作台模型的应力、位移云图改进之后的最大应力值为144.851Mpa，相对于结构改进之前减小了1.666 Mpa，说明了改进效果是比较明显的，因而认为以上结构改进是合理的；改进之后的最大位移为1.0001mm，相对于改进之前的1.0004mm，略微减小了0.0003mm；改进前后的应力最大值在下表面孔处，位移最大值处在上表面中心处。6.3 进一步提出拓扑优化方案与轻量化最终结果上述轻量化结果仍有进一步轻量化的空间，同时结合工作台下表面应力与位移的不均匀性，因而而考虑对这部分结构进行

38、进一步的优化。同样选择以上建立的用于拓扑优化的原始模型，选取工作台下表面厚度尺寸作为优化区域，如图6.9所示，单元类型1单元显示如图6.10所示。分别定义去除材料的百分比为30%，50%，80%，得到的拓扑优化结果（密度值为0.81之间）。去除材料百分比为50%拓扑优化单元伪密度图与拓扑优化结果如图6.11所示，其余去处材料百分比这里不再列出）。图6.9 优化区域示意图图6.10 单元类型1显示图图6.11去除材料50%单元伪密度图与拓扑优化结果依据得到的拓扑优化结果可以得出以下几点结论： （1）无论去除材料的百分比的多少，总是最先去除单元类型1区域边缘位置材料而保留中心部分材料。 （2）随着

39、去除材料百分比的逐渐增加，材料的去除总是从边缘部分逐渐向中心位置置“蔓延”，即最后去除中心部分材料。根据得到的结论并参照拓扑优化结果并进行一定的修正进一步改进之后的三维实体模型，如图6.12所示。并对该模型进行有限元分析，得到有限元分析结果，得到的应力云图和位移云图如图6.13所示。经过结构改进之后的最大应力增大了，而达到，但仍小于的限制，因而满足设计要求，同时有效地实现了轻量化的目标，因而认为以上结构改进是合理的，从而得到最终轻量化之后的工作台的零件图，见附录。图6.12 进一步改进模型图6.13 进一步改进后的工作台模型的应力、位移云图综上，轻量化的最终结果为：（1） 减少工作台与下横梁上

40、垫板配合工作部分尺寸的厚度为。（2）工作台长边上靠近短边的筋板再向短边移动。（3）工作台短边上的筋板向边缘移动。总结本文利用三维实体造型软件Pro/E建立工作台的几何模型并导入有限元分析软件ANSYS中对工作台的实际应力、变形状况进行分析，并依据企业提出的的限制条件对工作台进行了初步轻量化过程。再在初步轻量化的基础上建立应用于拓扑优化的合适的原始模型，设计了两种拓扑优化方案得出拓扑优化结果，并依据优化结果进行了进一步的结构优化，从而最终实现了液压机移动工作台的轻量化设计。对设计过程进行整理，得出了以下结论： （1）通过建立液压机工作台的几何模型，确定符合实际工况的边界条件，然后对工作台进行有限

41、元分析，结果表明工作台传统设计中采用的材料力学方法存在较大的误差，从而致使设计的工作台尺寸、重量都过于庞大。 （2）通过对工作台与下横梁上垫板配合工作部分尺寸的减薄来达到轻量化的目标效果是非常明显的。在到之间的变化较为线性，而到时有非常大的应力突变，而与之间的应力变化有非常小，因而设计时应当保证该尺寸在与以上。（3）利用拓扑优化结果对工作台结构以与下表面形状与尺寸的改进对应力值的贡献是十分明显的很好地实现了减轻材料重量的目的，也是依据应力与位移的分布状况合理而为之的。现代轻量化技术是集轻量化设计、轻量化材料、轻量化制造技术于一体的。在工业快速发展的今天，推行轻量化技术应该重点掌握高强度钢、铝合金、镁合金和塑料复合材料等轻量化材料应用技术。掌握高压成形、铝合金半固态成形、激光拼焊板成形和超高强度钢成形等轻量化材料的先进成形技术。重视轻量化结构优化设计和材料回收利用技术，努力降低轻量化材料的综合成本，在政府、生产商和消费者的共同努力下，实现节能、环保、安全的目标，促进可持续发展。词 本次毕业设计所涉与的课题是机械结构的有限元分析，由于之前没有接触 过ANSYS软件，所以觉得这是个挑战。在前期的学