课程设计说明书

课程设计说明书题目：机械型硫化机横梁结构优化设计班级：机制1007班姓名：赵昆明学号：U201010724指导老师：王书亭时间：2014年3月目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、设计思路概述3\o"CurrentDocument"二、硫化机横梁有限元分析模型的建立4\o"CurrentDocument"三、硫化机结构的性能计算6\o"CurrentDocument"结构刚度分析8\o"CurrentDocument"结构强度分析9\o"CurrentDocument"四、硫化机结构的优化设计13\o"CurrentDocument"结构形状修改13\o"CurrentDocument"结构尺寸优化13\o"CurrentDocument"3.结构刚度分析14\o"CurrentDocument"4结构强度分析16\o"CurrentDocument"五、硫化机结构性能评估结论19一、设计思路概述本次课程设计为机械型硫化机横梁结构优化设计，设计思路为：首先在工程图Hengliang.dwg给出的情况下利用软件Solidworks2013对硫化机横梁进行建模，之后将其导入有限元分析软件ANSYS10.0中，在计算工况以及边界条件已知的情况下进行硫化机横梁的有限元分析，重点分析横梁的受力及变形情况。将分析结果与设计要求进行对比，之后对硫化机横梁结构进行针对性的优化，直至优化结果满足设计要求。现附上硫化机横梁的计算工况以及设计要求：计算工况和边界条件（1）硫化机工作时，横梁下座板承受板处承受的压力为1000吨；（2）左右两端两个圆柱横梁拉杆销的受力各为500吨。设计要求要求在厂定技术条件下，对该型硫化机进行结构分析和优化设计，提高并保证其结构物理性能，使其满足结构强度、结构刚度的设计要求，保证硫化机的正常工作，同时合理配置其结构布局，有效减轻其富余材料，降低生产成本。（1）应力满足强度要求（＜235MPa）；（2）刚度要求横梁和底座的变形均小于1.8mm。硫化机横梁有限元分析模型的建立根据硫化机横梁的工程图，在Solidworks2013环境下建立硫化机横梁的三维模型，如图2-1所示:图2-1硫化机横梁在solidworks2013下的视图由于Solidworks所默认生成的文件类型不能直接导入ANSYS软件内，经查阅相关资料，可采用以下方法：将当前模型另存为*.x_t格式，即保存类型选Parasolid(*.x_t);运行ANSYS,File—Import—PARA...—左侧框中就会看到刚才生成的*.x_t文件，如图2-2所示:ANSYSConnectionforParagolidFileName|zhaokunmingliuhuaji.tFileName|zhaokunmingliuhuaji.tnew2.x_txiugai1.x_txiugai2.x__txiugai3EbookunjminzhaokunmirnLiutFilmofType:I一AllowDefeaturino厂AllowScalingCancelC：\P~1new_reportP~lnGw1_reporlnew?_reportDriven:▼HelpNetwork...「mm:文档GeometryType:SolidsOnly刁Directories:e:\11图2-2导入parasolid文件选中文件便可完成导入。此时看到的模型为硫化机横梁的线框模型，如图2-3所示：图2-3硫化机横梁的线框模型之后进行PlotCtrls—Style—SolidModelFacets—下拉框中选择NormalFaceting,之后选择Replot,即可看到硫化机横梁实体了。如图2-4所示图2.4硫化机实体模型三、硫化机结构的性能计算将模型导入到ANSYS后，首先定义单元类型为10节点solid92单元，硫化机横梁的结构材料均为A3钢，材料特性为：弹性模量E=206GPa；泊松比p=0.3；屈服极限0s=235MPa；强度极限。b=461MPa；密度p=7800kg/m3o将这些特性输入进ANSYS的前处理的相关对话框。之后对模型进行网格划分，在弹出的MeshTool中进行如下选择，如图2-5所示：图2-5网格划分之所以选择SmartSize为8,一方面是考虑到由于所用的笔记本计算机内存较小，防止计算过程中内存不够导致出错，另一方面考虑到计算结果不能太粗糙。综合这两面因素将其定为8。划分完成后如图2-6网格划分结果之后对网格划分结果进行检查，即CheckMesh,并未发现错误的单元划分，说明该网格划分可行。完成后，依照工况条件对模型进行加载，左右两端两个圆柱横梁拉杆销的两端面所承受的均布压力为:F]500X1000X9.8Pi=厂=一eg一Pa=38992869PaA]0.125664横梁下座板承受板承受的均布压力为：F21000X1000X9.8P2=7^=——Pa=11412959Pa2A20.858673aa约束条件为左右两端两个圆柱横梁拉杆销的左右两圆柱面固定不懂，即限制其个方向位移为零。Loads具体如图2.7所示:UISTCONSTRfiINTSONALLSELECTEDAREASAREALOADLABELAREALOADLABEL14UX14UY14uz26ux26UY26UZ79UX79UY79uz80ux80UY80UZ182UX182UY182uz183ux183UY183UZUALUECS>0.00000.09000.00000.00000.00000.00000.00000.09000.00000.00000.00000.00000.00000.09000.00000.00000.00000.00800.00000.09000.00000.00000.00000.00000.00000.09000.00000.00000.00000.00000.00000.09000.00000.00000.00000.0080LISISURFACELOADSONALLSELECTEDAREASfiBEfiLKEVLOADLABELVALUE<S)681PRES0.11413E^080.0000801PRESD.38993E十础0.00001831PRES0.38993E*080.0008图2-7负载信息当负载与约束均定义正确后便可进行模型的受力及变形的计算,计算过程会持续数分钟，直至出现计算完成提示。L结构刚度分析之后将鼠标停留在GeneralPostproc命令上，再点击PlotResults-*DeformedShape-*Defshapeonly,可得到如下结果:

1ANSYS图2-1ANSYS图2-8变形结果从变形结果来看，硫化机横梁结构的最大位移DMX=0.187E-3m=0.187mm,由于该模型在Solidworks中是按1：10绘制的,故实际上硫化机的变形是1.87mm不符合设计要求（2）。可考虑增加相关位置的材料以提高硫化机结构刚度。2・结构强度分析横梁上各处的Von.Mises应力分布云图如所示，其中最大应力为600MPa,位于横梁与拉杆销连接处，这是由于分析简化处理所致，实际工作中不会出现，因为此处在安装拉杆销时存在预应力，会抵消部分应力。其它应力较大区域包括腹板开孔外侧下角处，下底板模具安装位置及中心孔周围，其中腹板开孔外侧下角处的应力集中处最大

应力可达328Mpa,超过规定应力极限，这主要是由于在未开孔的情况下，现在开孔处附近的应力较大，考虑将腹板开孔位置上升一定距离，同时增加开孔形状的圆弧过渡半径，以减轻应力集中效果。除上述应力较大处之外，其余各处应力幅值较小，特别是横梁的左右侧板和中间立板上应力较小，在结构强度方面，材料有较大富余，可考虑适当减薄钢板厚度或钢板其他尺寸。NODALSOLUTIONANSTEP=1SUB=1TIME=1NODALSOLUTIONSTEP=1SUB=1TIME=15EQV(AV<5)=.187E-03SHX=.600E*09TEB2820U12=59:59G..122E+0§.267E4-05.40,0E4-0S.523&4*0&.K7E+C3.2Q0&tQS.333E+0-S・6四EM9File:E:\ll\zh.aokunmingliuhuaji.x—r图2.9横梁原设计方案应力分布云图ANFEBANFEBza20U13:04:16KODAL3OLITTION3rEP=2SITB=1TIKE=13EQV(AVG)DCCX=.187&-033XX=.600E.+090.122E4-G9..267E4-0S.400E+-05.529E4-09.6行匕+典・2。皿祁令.3332+OS.q&E+N.COOErtSFile:E:\LL\zhaokunmingliuhuaji.x_t图2-10横梁原设计方案应力分布云图图2-11横梁原设计方案应力分布云图File:E:\LL\zhaokunmingliuhuaji.图2-12横梁原设计方案应力分布云图图2-13横梁原设计方案应力分布云图

U!IU!I、硫化机结构的优化设计通过上一部分结构强度分析的结论来看，需要对硫化机横梁结构作出以下修改以便满足设计要求：L结构形状修改通过结构拓扑优化分析，对横梁进行一处结构修改，参见图4-1标号1所示，将横梁的开窗位置上升320mm,圆角过渡半径由60mm增加至lOOmmo同时为了减小硫化机的最大变形量，在下底板中部模具安装孔上方加焊如图4-2所示结构。结构尺寸优化通过基于有限元的离散尺寸优化分析，主要尺寸改变参见图4-1所示：.将图4-1中标识2所指横梁中间立板的高度由800mm减小到500mm；.将图4-1中标识4所指左右两侧板的厚度减少20mm；III将图4-1中标识3所指上底板厚度由40mm减小到30mm°结构形状及尺寸优化完成后的模型如图4-2所示：图4-1横梁主要结构及尺寸变化示意图图4-2横梁优化设计结果结构刚度分析优化后的结构经过与原结构类似的处理过程，即导入、定义参数、画网格、加载（如图4-3所示）、计算求解等步骤后，变形结果如下所示：

VOLUMESTYPENUMUANSYSMAP.1201413:39:51ANSYSMAP.1201413:39:51.L14E+O0.175E/OB.237E+08.298E+0C.359E+O8.145EtO8.20任十08・267E十08.329E+08.390E+08ANSYSMAE2201422：41：52File:E:\ll\new4.x_tDISPLACEMENTSTEF=1SUB=1TIHE-1DbK=.001716ANSYSMAE2201422：41：52可以看出最大位移DMX=0.001716m=1.716mm,符合设计要求,说明该优化结构的刚度达到设计要求。4・结构强度分析横梁上各处的Von.Mises应力分布云图如所示，腹板开孔外侧下角处的应力集中处最大应力可达181Mpa,未超过规定应力极限,满足要求。除横梁与拉杆销连接处外其余位置的应力由图中可以看出并未超过235MPa,满足设计要求图4-5优化结构应力云图分布1F0DALSOLUTION3TEF=2SVB=1TIME=2SEQV(AVG)DMX=.00L71€SM2T=109221SMX=.974E-*-09图4-6优化结构应力云图分布ANMARZ201-222:44:5^NODAL30LITTI0N3rEP=2SITB=1TIKE=1SEQV(AVG)DXX=.001716ANMARZ201-222:44:5^10M2L.216E4-GS.422E4-09.6：4BE+-0B..B6SE4-09.ICSLtCS.325EtQS*.551£+QS.757Z±Q*2File:E:\LL\xiugai4.x_TANMARZ201-222:45:14KODAL3OLITTION3rEP=2SITB=1TIKE=13EQV(AVG)DXX=.001716ANMARZ201-222:45:1410M2L.2i€E4-G§.422E4-09.6：4BE+-0B..B6SE4-09.ICSLtCS.3252tQ&.5511+25.97«K9File:E:\LL\xiugai4-x_T图4-8优化结构应力云图分布NO