MT200压力机机身结构有限元分析及改进设计

第一章绪论1.1引言近年来，国家大力发展制造工业，尤其对“极大”与“极小”制造给予更多的关注和支持。制造业水平的高低决定了一个国家的科技实力。60年代，伴随震动试验技术的发展，以及频率特性分析仪和机械阻抗测试仪的问世，使结构频率响应函数测试成为可能；70年代发展起来的快速傅立叶变换技术（FFT）及有限元分析技术，实现了机械结构的理论建模和实验建模；80年代末，机械机构的动态设计得到了发展。目前机械结构动态设计研究的重点，是将作为动态分析重要手段的试验模态分析技术（EMA）和有限元分析方法（FEA）同迅速发展的计算机辅助设计技术有机结合起来，以进一步发展和完善机械结构动态设计技术。在此基础上，对机械结构进行优化设计和完善。现代工业的高速发展，产品的功能越来越强大、结构越来越复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计分析在产品的整个生命周期中占据极其重要的位置。在研发过程中，CAE软件ANSYS技术的使用，缩短了从设计到生产的周期，极大提高了产品的质量，使设计人员能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性，但是它的建模功能有待增强。压力机由于其性价比好、作业便捷、且用途广泛而深受欢迎，市场需求量越来越大。与此同时，产品市场竞争也异常激烈。伴随着大吨位压力机的发展，压力机零部件的安全性显得尤其的重要。而有限元分析强大的数值计算功能可以轻而易举地分析解决用传统的方法无法解决的复杂结构受力情况下的问题，利用它解算复杂的计算问题能简化设计过程、加快设计进度，并且有限元模型能很好地虚拟现实工况，故分析结果准确。为此，提出了关于本课题的研究——对MT200精整压力机进行结构分析并给出优化方案。1.2压力机的国内外发展状况随着机电一体化和数控技术的飞速进步，伺服驱动系统在制造业中得到了广泛应用。但是与金属切削机床相比，锻压机械的伺服化、数字化的开发落后了数十年[21]。上世纪90年代，在日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服机直接驱动压力机的研究和开发，这种伺服压力机与传统机械压力机相比，具有结构简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入普及期，随着其在汽车零件、电子零件等高精度、难成行加工领域中的应用和其优良的节能性么，已经显示了其他压力机所无可比拟的优越性，成为世界冲压技及装备发展的主要潮流之一[1]。日本在伺服压力机的研究、生产及商品化等方面处于国际领先水平，掌握了伺服压力机的设计和制造技术。日本komstsu公司在伺服压力机的研发上目前已经出现了三代不同的产品，第一代是1998年发明的HCP3000，第二代是2001年问世的H2F、H4F，第三代是2002年H1F系列[2]。2005年日本网野公司开发出世界上最大的大型伺服压力机，目前公司根据各种生产需求，研发出了机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、液压式伺服压力机等多种类型的伺服压力机[3]。2007年德国SCHULER公司推出了2500-3600KN系列产品。2010年舒勒推出了新一代伺服驱动机械压力机。自上世纪八十年代以来，我国的一些企业先后引进了日本小松制作所得机械压力机、德国埃尔福特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的告诉精密压力机等多种压力机产品技术，是我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高[24]。2007年10月济南二机床研制出我国第一台大型伺服压力机。台湾金丰企业开发了CM1型伺服压力机。2007年广州锻压机床厂和华南理工大学联合设计制造的CDKS系类肘杆伺服压力机。齐二机床近年先后引进了瑞典APT研配试冲液压机技术，与上海交通大学合作成功研制了伺服压力机技术。2008年两者又采用沉余容错技术联合开发成功了2000KN对称肘杆伺服压力机，打破了国外大型伺服电机对中国市场的垄断，发挥了巨大的经济价值。随着我国制造业的不断发展，我国已经能生产出最大下压能力为50000KN的单动压力机和最大下压能力为20000KN的双动压力机以及最大下压能力为20000KN的多连杆单动压力机[22]。虽然近几年国内伺服压力机已经有了很大的发展，但在有些关键技术上和国外还是有很大的差距。为了提高了我国大型伺服压力机的研发水平，必须走自主创新之路，开着具有我国自主知识产权的、符合中国发展条件的大型伺服压力机研制工作。1.3课题研究背景和来源锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域。其中，作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及设备的发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促使汽车更新换代的速度明显加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变型品种日益增多，现代汽车工业生产日益呈现生产规模化、车型个性化，车型批量小、车型变化快、多车型共线生产、车身覆盖件大型化一体化的特征。传统的加工单一品种的刚性生产线显然已不适应这种特征和市场形势发展的要求，其升级换代产品具有高柔性和高效率的自动化锻压设备，成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流。本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。MT200型压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品。要求我们运用有限元分析技术对MT200型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。1.4课题研究内容要求运用有限元分析软件ANSYS对MT200型压力机进行有结构静态分析、模态分析以及结构优化设计[10]。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来达到降低生产成本的目的，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，分析各种振型对液压机工作状态的影响压力机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有：(1)对MT200型压力机机身进行三维实体建模；(2)了解MT200型压力机工作性质和工作状态；分析它的工作载荷，确定边界条件及加载方案；(3)划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身的应力和变形分布规律，评价载荷对压力机工作性能的影响；(4)对机身模型进行自由模态分析，求解机身固有频率以及相应振型的等动态参数，分析其对工作状况的影响；(5)根据分析的结果，在应力集中危险区域采取措施来改善应力状况；在低应力区域，改变相关尺寸的变量，以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析，检验改变尺寸后的强度和刚度。重复进行以上步骤，直到获取最佳的方案。第二章研究方法及研究工具介绍2.1有限元法2.1.1有限元研究方法有限元法是根据变分原理求解数学、物理学问题的一种数值方法，是当前各行业通用的重要的计算方法[23]。它是20世纪50年代末60年代初兴起的现代力学、应用数学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学的问题扩展到动力学的问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性。塑性、黏塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到土木建筑、航天、机械制造、造船、水利工程、电子技术及原子能等。由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大地拓展[4]。有限元方法是目前解决科学和工程问题最有效的一种数值方法。有限元法具有极大地灵活性和通用性；对同一种问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算；只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度；有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便[5]。但是在求解一些特殊问题，特别是间断问题时，有限元方法存在着某些固有的缺陷。针对有限元方法的不足，1999年，美国西北大学的Belytschko研究组提出了一种用于处理间断问题的修正的有限元方法-扩展有限元法，并增加了对不连续边界的描述[6]。2.1.2有限元的基本思想有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；然后对单元(小区域)进行力学分析，最后再整体分析。这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路[5]。有限元法的解题步骤：（1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分的工作量比较大，除了对计算单元和节点进行编号并确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号及相应的边界值。（2）选定直角坐标系，按程序要求填写和输入有关信息。（3）使用已经编好的程序进行上机计算。计算程序中对输入的各种信息进行加工、运算。（4）对计算成果进行整理、分析，用表格或图线示出所需的位移及应力。在划分单元时，单元的大小(即网格的疏密)要根据精度要求和计算机的速度及容量来确定。单元分得越小，计算结果越精确。所以，有限元法的核心是网格剖分与边界条件的确定，然后是选用现代数学进行运算求解，最后对求解结果进行分析。对于许多具体情况，可使用一些建立起来的物理模型，从而可使问题简单化。而真正在设计中，目前多使用CAD一类的高级辅助软件进行分析、设计，以保证设计的正确性、准确性及最优化。2.1.3有限元的优点（1）有限元法具有极大的通用性和灵活性。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线性应力、应变关系及复杂边界条件等难题，而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善，还成功地用来求解热传导、流体力学以及电磁场领域的许多问题，现在它几乎适用于求解所有的连续介质及场问题。（2）对同一类问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算。（3）只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度。（4）有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便[9]。2.1.4有限元应用的种类在实际的工程技术领域，根据分析的目的，有限元法的应用可以分为以下三种类型：一、是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力分析，也可以在静磁学、静电学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。二、是模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广。可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统的固有特性的确定等。三、是进行瞬时动态分析。可以求解一些随时间变化的传播问题，如弹性连续体的瞬时动态分析(或称为动力响应)，流体动力学等。2.1.5有限元软件的分析步骤1（1）明确目标：①什么类型的分析；②怎么构建模型；③什么单元。（2）创建有限元模型：①创建或读入几何模型；②定义材料属性；③划分网格（节点及单元）。（3）施加载荷及求解：①施加载荷及载荷选项、设定约束条件；②求解。（4）查看结果：①查看分析结果；②检验结果（分析是否正确）。通俗的表示就是：后处理求解预处理准备工作èèè后处理求解预处理准备工作2.2三维实体建模软件Solidworks简介SolidWorks软件采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术，是目前领先的、主流的三维CAD软件。它具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析和动态仿真等多项功能，它为广大用户提供了多种多样的设计过程专用工具。对于焊件设计，可以使用直观的布局方法来迅速获取设计意图。通过利用焊缝、角撑板、顶盖和切割清单，迅速完成焊件设计。它还包含功能强大的钣金工具，用于在折叠或展开状态创建高级钣金设计。该模块自动应用所有钣金特性（如金属厚度、折弯半径和折弯释放槽），并自动完成法兰、切口、放样的折弯、展开、正交切除、角切除、正交处理、褶边、转折等的创建过程。借助SolidWorks软件，用户可以灵活地在一个文档中创建零件、装配体和工程图的多个版本，由此最大程度地提供重用机会。在本课题中，研究的对象是压力机机身，只需使用Solidworks中实体建模这一常用功能即可。2.3ANSYS软件介绍ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块（前处理器）提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。包括参数定义、实体建模、网格划分。分析计算模块（求解器）包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。在次阶段，我们进行分析类型定义、分析选项、载荷数据和载荷选项。后处理模块（后处理器）可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。在ANSYS中后处理模块分为通用后处理模块（POST1）和时间历程后处理器（POST26）。启动ANSYS，进入欢迎画面以后，程序会停留在开始平台。我们可以从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块：PREP7（通用前处理模块），SOLUTION（求解模块），POST1（通用后处理模块），POST26（时间历程后处理模块）等。2.4有限元分析软件ANSYSWorkbench简介软件接口，实现数据的共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。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD享和交换，如Pro/Engineer，I－DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。与传统ANSYS对比，Workbench与其主要功能大致相同，有以下几点：1）结构分析：用于分析结构的变形、应力、应变和反力等。结构分析包括静力分析、动力学分析。2）热分析：热分析通过模拟热传导、对流和辐射三种热传递方式，已确定物体的温度分布。可以进行稳态和瞬态热分析，可以进行线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程。第三章压力机机身的静态分析3.1机身简介机身是压力机的一个基本支撑部件，工作时要承受全部工作变形力。因此，机身的合理设计对减轻压力机重量，提高压力机刚度，以及减少制造工时，都具有直接的影响。机身分为两大类：即开式机身和闭式机身。机身结构分为铸造结构和焊接结构两种。我研究的MT200型压力机是闭式的。框架形结构床身刚性好，所承受的载荷大而均匀。公称压力:200KN；标准行程次数:1250×1250；机身材料是Q235A，密度；许用角变形微弧；动载荷系数：1.2（由于设备在使用中载荷会随时间有一定的变化）。图3.1MT200压力机机身结构简图图3.1MT200压力机机身结构简图3.2机身有限元分析3.2.1制定方案1.在Soildworks里画出MT200压力机的三维模型再导入ANSYS软件中[15]。2.选择块单元。3.对单元进行网格划分，遵循“均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划”的原则[16]。4.对压力机进行加载：设备在工作时承受两个相反方向的载荷，机身所受载荷简化为对机身的两个方向的均匀载荷。5.约束条件：压力机通过地脚螺栓与地基项链部分的6自由度全约束[17]。6.施加材料特性：机身材料是Q235A，密度7.对压力机进行应力场分析[18]。8.分析压力机在加载情况下机身受力垂直变形以及角变形。9.对机身结构进行结构静态优化。机身的优化原则是：通过改变机身结构，应用ANSYS计算出机身最大应力和垂直变形，以许用应力和原有的变形为约束，优化的目标是选择合适的机身焊接结构与钢板厚度，尽量减轻机身的重量[19]。10.对压力机进行模态分析，得到结构的固有频率和固有振型，检验这些模态参数是否符合模态参数准则[20]。3.3有限元模型的建立有限元模型的生成是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能够真实反映实际工程原型行为特征的数学模型。由于图形比较复杂，不适合在ANSYS中建模。我选择在SolidWorks里建模但还需简化，对于明显不会影响机身的整体强度、刚度的部位，如螺钉孔、销孔、圆角等予以简化，因为压力机的变形主要集中在喉口部位，不会影响影响分析结果。然后把SolidWorks里的图保存，再导入ANSYS中，实现压力机限元模型。图3.2MT200压力机机身的有限元模型3.3.1单元类型的选择该机身是Q235铸造的整体结构，形状不规则，可采用六面体单元划分，本文在ANSYS中计算时采用的是六面体单元SOLID95，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好，有20个节点定义，每个节点有3个自由度，(X，Y，Z方向)，此单元在空间的方位任意，本单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，提供不同的输出项。3.3.2单元网格的划分单元的划分应遵循“均匀应力区粗划，应力梯度大的区域细划”的原则[18-20]，具体到本机身上，网格应细划的位置是：喉口圆角处部位；而网格应粗划的位置是：前后侧板的绝大部分及两侧板间的连接筋板等部位。一般来说，单元划分的越细计算精度就越高，但单元划分存在一条收敛曲线，过细对计算的精度贡献不大，同时造成计算量的陡增。过细有时还会产生计算精度的漂移与误差。本文在用ANSYS计算时划分单元时，采用的单元大小为60mm，细划部位采用的单元大小为30mm，经过划分单元后，共有232028个节点，127622个单元。图3.3机身的网格划分图3.3.3边界条件的施加机身静态分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。1）载荷的施加本设备的公称压力是200KN，但由于实际应用中设备受到的载荷会随时间有一定的变化，故应在静载荷上乘以一个动载荷系数1.20，即实际受到的载荷数应当是240KN，由于在ANSYS软件分析时所施加的是压强，所以具体压强值应为载荷除以受力面积。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。设备在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在支撑板上，方向向上；另一个是作用在工作台上，方向向下。两者大小相等，方向相反，且都以均布载荷的形式作用于面上。3.3.4边界约束条件机身静态分析的边界条件包括两个方面：载荷的施加和边界约束。1）载荷的施加本设备的公称压力是200KN，但由于实际应用中设备受到的载荷会随时间有一定的变化，故应在静载荷上乘以一个动载荷系数1.20，即实际受到的载荷数应当是240KN，由于在ANSYS软件分析时所施加的是压强，所以具体压强值应为载荷除以受力面积。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。设备在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在支撑板上，方向向上；另一个是作用在工作台上，方向向下。两者大小相等，方向相反，且都以均布载荷的形式作用于面上。2）边界约束条件MT200压力机机座的边界约束条件是通过地脚螺钉与基础相连的全约束，故将前面和后面的各个与地面接触的底板都使用6自由度全部位移予以约束，由于机身的重量达6000多公斤，因此考虑机身的自重，考虑重力或离心力是通过施加相应的加速度来定义的，由于惯性力和加速度的方向刚好相反，因此对于此图而言应施加向上的重力加速度9.8。3.3.5材料特性的施加机身为Q235钢的板材焊接结构，在工作时其变形是弹性变形。材料特性常数包括：弹性模量、泊松比、密度，根据《机械设计手册》，Q235钢的弹性模量E为206.76，泊松比为0.27～0.3，本文取，，Q235钢的密度取。3.4计算结果分析3.4.1机身的应力和变行（1）机身材料为低碳钢，结构的破坏形式一般为塑性屈服，所以在强度分析中采用第三强度理论或第四强度理论。但是第三强度理论未考虑主应力影响，它可以较好的表现塑性材料塑性屈服现象，只适用于拉伸屈服极限和压缩屈服极限相同的材料。而第四强度理论考虑了主应力的影响，且和实验较符合，它与第三强度理论比较更接近实际情况。因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力（又称VonMises等效应力）来评价[20-21]。第四强度的含义就是：在任何应力状态下，材料不发生破坏的条件是：——许用应力，而=其中：，，——第一，第二，第三主应力。由前可知，机身材料为Q235，考虑到疲劳修正系数和疲劳修正系数安全系数，故安全系数取1.47，则=235/1.47=160，而我们所要的应力要求是：。（2）机身变形要求:。3.4.2应力图形显示（单位：MPa，以下单位相同）本文采用第四强度理论，只要给出Von-Mises应力图即可。1）应力等值线图图3.5VonMises应力等值云图从该图可以看出，机身应力的最大值为49.577MPa，小于160MPa，且机身，特别是支撑板处有一定形变，需要对其进行优化。2）喉口应力图图3.6喉口VonMises应力云图3.4.3机身变形图（单位：mm，以下单位相同）为了更好的说明问题，先对机身的坐标系做一下解释。如图2-6中所示，沿竖直方向为Y向，左右方向为X向，垂直纸面的方向为Z向。图中的虚线是机身原始状态，实体则显示了变形后的状态。由于液压机体积较大，而几毫米的变形量在实际中是看不出来的，为了方便查看变形效果，图中显示的变形是ANSYS软件的夸张显示[22-24]。机身总变形图图3.7机身总变形图2)X方向变形图图3.8X方向变形图Y方向变形图图3.9Y方向变形图Z方向变形图图3.10Z方向变形图3.4.4局部变形图喉口X方向的变形图图3.12喉口X方向的变形图喉口Y方向的变形图图3.13喉口Y方向的变形图喉口Z方向的变形图 图3.14喉口Z方向的变形图3.4.5X，Y，Z方向最大变形量的对比表3-1最大应变项目最大拉伸变形/mm最大压缩变形/mmX方向0.06460.02Y方向0.3180.177Z方向0.0510.052如表3-1所示，机身的最大拉伸应变为0.318mm，最大压缩应变为0.177mm，小于1mm，符合要求。3.4.6机身角变形与角刚度计算角变形是指压力机变形时滑块相对于工作台面的倾斜夹角，其可能包括非工作状态时滑块、导轨和工作台由于制造精度不高以及压力机装配存在误差时而产生的倾角，还可能由于压力机负载时曲轴、连杆和滑块弹性变形时造成的，但主要是机身本身的角变形造成的。图2.13MT200压力机机身正视图角刚度是指压力机的滑块相对于工作台面产生单位角变形时，压力机所承受的作用力，可用表示，即=式中P—压力机承受载荷，在此为公称载荷；—压力机承受载荷P时，使喉口倾斜的角变形。=l+2+3+4分别取喉口处端点A、B、C、D、E、F处Y方向的位移差为、、、，设AB的水平距离为L1，BC的水平距离为L2，DE的水平距离为L3，EF的水平距离为L4。则导轨的角变可近似为：tanl=/L1；tan2=/L2；tan3=/L3；tan4=/L4；=AY-BY=23.8428e-5-15.70778e-5=8.12e--2mm；=BY-CY=15.70778e-5-13.62045e-5=2.09e-2mm；=DY-EY=3.83148e-5-1.47969e-5=2.35e-2mm；=EY-FY=1.47969e-5-（-7.04108）e-5=9.52e-2mm；角变形可近似计算为：ltanl==8.12e-2/855=9.52e-5rad=95μrad2tan2==2.09e-2/210=9.95e-5rad=99.5μrad3tan3==2.35e-2/210=11.9e-5rad=111.9μrad4tan4==9.52e-2/855=10.72e-5rad=111.3μrad机身的总角变形为=l+2+3+4=95+99.5+111.9+111.3=417.7＜980，符合要求。根据JB/T6580.1-1999国家标准，机身的许用角刚度：=0.00l2Pg=0.24(KN/μrad)。机身角刚度==200/417.7=0.479(KN/μrad)＞[]，角刚度符合要求。第四章机身结构的改进设计通常，一个好的产品设计，往往是综合各种因素，提出一种初始方案，然后对其进行数值分析，使其满足强度、刚度、稳定性及可靠性和寿命等要求的预期目标，然后反复修改方案，使其具有较好的使用性能，并力求节省材料和能源，经济而具有竞争力。机身的优化原则是：通过改变机身结构，应用ANSYS计算出机身最大应力和角变形，以许用应力和原有的变形为约束，以减轻机身的重量作为目的。本机身静态主要是强度和刚度两方面的特性，但对机床结构设计时，刚度问题比强度问题更为重要，因此在优化方面主要考虑机身的变形问题。机身的优化原则是：通过改变机身板的厚度，应用ANSYS计算出机身最大应力，并满足应力和变形要求：应力：[]≤160MPa。变形：δx≤1mmδy≤1mmδz≤1mm。4.1优化方案一由变形图可知，压力机的应力很小，采用的优化方法是把两侧板厚度厚度从50mm减少到40mm。4.1.1应力图显示1)应力等值线图图4.1VonMises应力云图2）喉口应力图图4.2喉口VonMises应力云图4.1.2机身变形图显示1）X方向变形图图4.3X方向变形图2）Y方向变形图图4.4Y方向变形图3）Z方向变形图图4.5Z方向变形图4）机身总变形图图4.6总变形图4.1.3喉口变形图显示1）喉口X方向变形图图4.7喉口X方向变形图2）喉口Y方向变形图图4.8喉口Y方向变形图3）喉口Z方向变形图图4.9喉口Z方向变形图4.1.4X，Y，Z方向最大变形量的对比表4-1最大应变项目最大拉伸变形/mm最大压缩变形/mmX方向0.08120.0266Y方向0.4220.2240Z方向0.08310.0835如表4-1所示，最大拉伸变形为0.422mm，最大压缩变形为0.2240mm，符合变形量小于1mm的要求。4.1.5角变形与角刚度；；；=EY-FY=2.628e-5-（-12.414）e-5=15.042e-2mm；则角变形可近似计算为： ltanl==17.834e-2/855=208.62tan2==5.069e-2/210=241.43tan3==1.697e-2/210=80.84tan4==15.042e-2/855=175.9机身的总角变形为=l+2+3+4=208.6+241.4+80.8+175.9=706.7＜980，符合要求。机身角刚度==200/706.7=0.283()＞，角刚度符合要求。4.2优化方案二由于应力和应变比较小，所以还可以减少厚度来节约材料，在优化方案1的基础上，把支撑板的厚度减少10mm。4.2.1应力图显示1）机身整体应力图显示图4.10Vonmises应力云图2）喉口应力图显示图4.11喉口Vonmises应力云图从以上几幅图中可以看出，机身最大应力为96.345MPa小于160MPa,符合要求。4.2.2机身变形图1）X方向变形图 图4.12X方向变形图2）Y方向变形图图4.13Y方向变形图3）Z方向变形图图4.14Z方向变形图4.2.3喉口变形图1）喉口X方向变形图 图4.15喉口X方向变形图2）喉口Y方向变形图 图4.16喉口Y方形变形图3）喉口Z方形变形图 图4.17喉口Z方向变形图4.2.4X，Y，Z方向最大变形量的对比表4-2最大应变项目最大拉伸变形/mm最大压缩变形/mmX方向0.08360.0266Y方向0.81040.2397Z方向0.09780.0996如表4-2所示，最大拉伸变形为0.8104mm，最大压缩变形为0.2397mm，符合变形小于1mm的要求。4.2.5角变形与角刚度=AY-BY=22.6171e-5-10.8077e-5=11.8094e--2mm；=BY-CY=10.8077e-5-7.9582e-5=2.8495e-2mm；=DY-EY=5.95543e-5-3.15226e-5=2.80317e-2mm；=EY-FY=3.15226e-5-（-2.953）e-5=6.10526e-2mm；则角变形可近似计算为：ltanl==11.8094e-2/855=13.85e-5rad=138.1μrad2tan2==2.8495e-2/210=13.57e-5rad=135.7μrad3tan3==2.80317e-2/210=13.35e-5rad=133.5μrad4tan4==6.10526e-2/855=6.88e-5rad=71.4μrad机身的总角变形为：=l+2+3+4=138.5+135.7+133.5+68.8=478.7＜980，符合要求。根据JB/T6580.1-1999国家标准，机身的许用角刚度：。而此机身角刚度=P/=200/478.7=0.42(KN/＞，角刚度符合要求。4.3优化方案三经过两次优化，可以看出第二次改进结果比第一次优化理想，但还需重新改进一次，在第一次改进基础上，将两侧边的上边沿修成弧形以减少材料，再增加一对地脚螺栓以加强机身结构。通过对其分析，观察应变应力的变化。4.3.1应力图显示1）机身整体应力图图4.18Vonmises应力云图2）喉口Vonmises应力图 图4.19喉口Vonmises应力云图从上图可以看出，机身的最大应力为99.675MPa，小于160MPa，符合应力要求。4.3.2机身变形图显示1）X方向变形图 图4.20X方向变形图2）Y方向变形图图4.21Y方向变形图3）Z方向变形图图4.22Z方向变形图4.3.3喉口变形图显示1）X方向变形图 图4.23喉口X方向变形2）Y方向变形图 图4.24喉口Y方向变形3）Z方向变形 图4.25喉口Z方向变形4.3.4X，Y，Z方向最大变形量的对比表4-3最大应变项目最大拉伸变形/mm最大压缩变形/mmX方向0.08870.0261Y方向0.8190.2349Z方向0.09750.0998如表4-3所示，机身的最大拉伸应变为0.819mm，最大压缩应变为0.2349mm，小于1mm，符合要求。4.3.5角变形与角刚度=AY-BY=23.9927e-5-9.22325e-5=14.76945e--2mm；=BY-CY=9.22325e-5-6.67034e-5=2.55291e-2mm；=DY-EY=3.99859e-5-1.85532e-5=2.14327e-2mm；=EY-FY=1.14327e-5-（-3.48141）e-5=5.33673e-2mm；则角变形可近似计算为：ltanl==10.76945e-2/855=172.7μrad2tan2==2.55291e-2/210=121.6μrad3tan3==2.14327e-2/210=102.1μrad4tan4==5.33673e-2/855=62.4μrad机身的总角变形：=l+2+3+4=172.7+121.6+102.1+62.4=458.8＜980，符合要求。机身角刚度=P/=200/458.8=0.44(KN/μrad)＞，角刚度符合要求。4.4选择最佳优化方案表4-4机身的改进方案对比最大应力（MPa）最大拉伸应变（mm）最大压缩应变（mm）角变形（μrad）角刚度(KN/μrad）减少的体积（m3）原机身49.60.31800.1766417.70.4790方案一62.50.42160.2698706.70.2830.1383方案二96.3450.81040.2397478.70.420.1426方案三99.6750.81900.2349458.80.440.1409由上表可以看出，原压力机所受最大应力和最大变形比较小。方案一虽然变形小，但体积较大。方案二所受最大应力虽然较方案一有所增加，但材料还不够节省。方案三的各项参数都满足要求，机身更加美观，所以综合各项因素，选择方案三作为最佳设计方案第五章机身的模态分析5.1模态分析概念随着压力机工作速度的提高，其动态性能和振动问题的分析愈来愈重要。单纯的静态设计和经验设计已不能完全满足工程实际的要求。60年代发展起来的模态分析技术，解决了静态分析难以解决的结构动力特性、模态参数识别、建模和从力学特性出发的结构优化等问题。模态分析通过确定多自由度系统的固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等模态参数，可以预估它在工作状态下的振动情况，并且能够发现过大的振动、过高的噪声等一些不正常的响应。通过模态分析，可识别载荷的谱别和来源，找出有害的振型和节点位置，在此基础上通过改变系统的局部结构,使系统按所要求的方向改变其动态特性，从而达到符合要求的动态强度、动态刚度的要求。工程结构要具有与使用环境相适应的动力学特性。一个机床结构优劣的基本着眼点不光是其强度、刚度方面的静态特性，而且应该注意弯曲和扭转方面的动态性能。如果机床动力学特性不能与其使用环境相适应，即结构模态与激励频率耦合会使机床产生共振，严重时会使整个机床发生抖振，机床噪声过大，局部产生疲劳破坏等。为此，提出压力机床身模态分析的评价线索：1.压力机床身的弹性模态频率应避开电动机经常工作频率；2.压力机床身的低阶固有频率应避开压力机的工作频率。5.2模态分析的原理模态分析是一种确定结构振动特征的技术，包括自然频率，振型，模态参与系数（在某个方向某个振型的贡献大小）。模态分析是所有动力学分析的基础。模态分析的工程应用，是设计可以避开共振或使结构在某一指定的频率处振动（如扬声器）；使工程人员能够意识到对于不同的动力载荷，结构式如何进行响应的；对于其它动力学分析有助于求解控制参数的确定（时间步长等）。因为结构振动特性决定了其对于任何动力载荷的响应，所以在进行其他任何动力学分析之前，建议先进行模态分析。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已趋成熟，它和有限元分析技术一起成为结构动力学的两大支柱。模态分析作为一种“逆问题”分析方法，是建立在实验基础上的，采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。5.3机身结构自由模态分析对压力机机身进行自由模态分析，由于机身是刚性变形，自由模态时未加任何约束，所以有6个自由度，前6阶的频率为0，所以从第七阶开始作为第一阶模态，共取十阶模态的变形图。图5.1第一阶模态变形图 图5.2第二阶模态变形图 图5.3第三阶模态变形图图5.4第四阶模态变形图 图5.5第五阶模态变形图- 图5.6第六阶模态变形图图5.7第七阶模态变形图图5.8第八阶模态变形图图5.9第九阶模态变形图图5.10第十阶模态变形图5.4自由模态下的振型描述表5-1机身的固有频率及振型阶数机身的固有频率(HZ)机身的振型描述174.34机身随Z轴方向扭动892.20机身上部在Z轴方向摆动机身下部绕X轴左右摆动9108.53机身上部在Z轴方向左右摆动10120.66机身上下部分做张合运动5.5机身结构的约束模态分析对机身底座和支架部分施加约束，然后对整个机身进行模态分析，得到十阶模态变形图。图5.11第一阶模态变形图图5.12第二阶模态变形图图5.13第三阶模态变形图图5.14第四阶模态变形图图5.14第五阶模态变形图图5.15第六阶模态变形图图5.16第七阶模态变形图图5.17第八阶模态变形图图5.18第九阶模态变形图图5.19第十阶模态变形图5.6约束模态下的振型描述表5-1机身的固有频率及振型阶数机身的固有频率(HZ)机身的振型描述147.605机身上部沿Z轴摆动280.59机身上部沿Z轴扭动3112.2机身上部沿X轴摆动4117.75机身上部在Z轴方向扭动机身右上角2个侧板在Z轴方向左右摆动5130机身上部在Y轴方向上下摆动6137.9机身上部在Z轴方向扭动7138.61机身右上角两侧板在Z轴方向左右摆动8164.59机身右上角两侧板在Z轴方向相向运动9191.81机身上半部沿Z轴扭动机身左边侧板沿Z轴方向左右摆动10200.4机身左边侧板沿Z轴方向相向运动本章运用了SOLIDWORKS软件建模，并且将模型导入了ANSYS软件中进行模态分析。模态分析得出的图表显示：机身的前三阶的振型均为整体向Z轴变形，并且在第六阶出现较大的扭转，说明它有较好的强度。以机身固有频率为参考，只要让工作频率远离固有频率就能避免发生共振损坏机器。第六章总结与展望6.1总结本文通过大型CAE软件ANSYS的使用，对MT200压力机机身进行有限元静态、模态分析和结构改进设计。在分析的过程中，通过传统的人工优化找出了比较合理的结构。比如说，用加厚材料来矫正变形量过大的问题，用去除受力或变形小区域的材料来减轻质量。这些方法都体现了基本的机械机构优化的思想，在以后的学习中，我会更加熟练地掌握这些思想，并且学习跟多的知识来武装自己的头脑。在分析设计过程中，主要得出以下几方面的结论：通过对机身静态有限元分析发现:机身的高应力区集中在上支撑板以及工作台前、后侧板的过渡圆角处，这主要是由于弯曲应力、拉力应力和应力集中共同作用的结果。两侧板中间的筋板受力较小，静态下不会对设备造成危害。分别通过提取应力集中区域的最大等效应力及机身在公称压力下的角刚度，发现该款机身设计满足机床的工作要求。对机身进行模态分析，列出结构的前十阶固有频率和固有振型，为后续改进奠定了基础。原压力机的最大应力及应变都较小，且都集中在工作台附近，因此，需要对机身进行改进设计，通过对三种方案的比较，第三种方案的最大应力及形变较适中，且体积较小，因此，最终选择第三种方案为最优方案。6.2展望由于个人的知识水平、设计优化经验以及时间等各方面原因，对MT200压力机机身结构有限元分析及改进的研究学习仍不够全面，仍需进行进一步的深入研究。今后可以从如下几个方向进行研究：细化有限元分析模型。所建的有限元分析模型不够精确，建模时为减少计算时间和工作量，简化了机身的部分结构。今后可对其进行细化，以提高模型的精度，提高分析计算的精确性。压力机机身的外形设计还不够美观，可以进一步进行设计美化。在压力机的静态分析中，有限元模型的建立及修正问题，在条件允许下引进试验进行验证，以在试验上确定建立的有限元模型是比较吻合压力机实际工作状况的。致谢虽然近三个月时间的毕业课程设计就这样过去了，但是我感觉这是大学生活中很有意义的一段时光。感谢我的导师郑翔教授，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。当然，在这次毕业设计过程中也要感谢我们的师兄吴茂磊同学，他认真踏实的态度，不厌其烦的帮同学们解决设计中的一系列的问题。他的帮助也是我能够顺利完成毕业设计的保障。最后，感谢我的同学。当在毕业设计碰到问题和沮丧的时候，是他们在默默地支持，一起努力完成毕业设计。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献金风明.窦志平.韩新民.伺服压力机在我国的发展现状[J].机电产品开发与创新.2012.谢鹏.简述伺服压力驱动压力机的发展[J].科技创新与应用.2013.吕言.周建国.阮澎.最新伺服压力机的开发以及今后的动向[J].综述.2010.1.陈锡栋.杨婕.赵晓栋.范细秋.有限元的发展现状及应用[J].中国制造业信息化.2010.6.张晋红.吴风林.有限元法及其应用现状[J].综述.2007.04.郭历伦.陈忠富.罗景润.陈刚.扩展有限元方法及应用综述[J].力学季刊.2011.12.谷俊斌.贾宏玉.ANSYS软件在工程力学专业教学中的应用[J].中国冶金教育.2013(4).王亚利.ANSYS软件在机械结构中分析中的应用.[M].樊炳辉.焦浩.贾娜.基于ANSYSWorkBench的排爆机器人机械手静力学分析[J].制造业自动化.2014.02.钟志华.周彦伟.现代设计方法.武汉理工大学出版社.2001.8.龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析.机械工业出社周平.新型压力机机身有限元分析及优化硕士学位论文].南京：南京理工大学.雷小燕.有限元法.中国铁道出版社张洪武.有限元分析与CAE技术基础[M].北京.清华大学出版社,2004梁森.开式数控回转头压力机机身的有限元分析及优化[D].[论文硕士].山东.山东工业大学机械系.2001江克斌.屠义强,.邵飞.结构分析有限元原理及ANSYS实现.:国防工业出社张祖芳.[D]:[].南京：东南大学，尚晓江等.中国水利水电出版社.2006.1[M]．北京：清华大学出版社，2004雷小燕.有限元法.中国铁道出版社基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊