MT200压力机机身结构有限元分析及改进设计论文

扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 II 中文摘要 近年来制造业成为国家大力支持和发展的行业，机床工业是制造业的基础与关键。然而， 有限元分析技术的应用，对于缩短产品开发周期，提高产品质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重要意义。本文以闭式压力机机身为研究对象，利用有限元分析软件 ANSYS 作为分析工具，进行有限元静态、模态分析，并根据分析结果进行机身结构改进设计研究。本文对闭式压力机机身结构进行受力分析，采用均布载荷的方法对机身进行加载，将地脚螺栓加以全约束，然后进行计算处理，对机身的变形大小和应力分布进行分析，从而定量确定机身的薄弱环节，并用有限元方法计算了机身的角变形。 由于各项参数都有富余，所以根据分析结果， 提出三种改进方案以减少机身材料。 运用 ANSYS Workbench 进行模态分析，分析其固有频率以及对应的振型。了解该压力机的模态特征和动态特征 ，为结构的设计和改进提供了理论依据。最后对论文的研究内容进行了总结和展望。 关键词 ： 闭式压力机， 有限元 ，静态分析 ， 改进设计，模态分析 III Abstract In recent years, our country has been fully supporting and developing the manufacturing industry, whose foundation and key lies in the machine tool industry. However, the application of finite element analysis is significant in shortening the period of production development, increasing the quality of production, reducing the cost of manufacture and improving the enterprise competitive ability. Static and modal this present dissertation using finite element analysis software ANSYS, and some improvement designs of press frame structure have been recommended based on the results of analysis. This paper analyses the stress put on the frame of closed press, loading on the frame of closed press using uniform load, keeping the anchor bolts to all DOF and then calculating the result. The weakness of the frame is found by analyzing the distribution of stress and deformation. Angular deformation is calculated by FEM. Because all parameters meet the requirements, this paper puts forward three other methods to save material. Modal analysis using ANSYS Workbench is to resolve its inherent frequency and corresponding mode shapes. It can help to understand the modal characteristics and dynamic characteristics of the structure. It also provides a theoretical basis and foundation foe design and improvement of the structure. Finally the papers research contents are summarized and discussed. Key words: closed press, finite element method, static analysis, improvement designs, modal analysis IV 目 录 中文 摘要 . III Abstract. IV 第一 章 绪论 .1 1.1 引言 . 1 1.2 压力机的国内外发展状况 . 1 1.3 课题 研究背景和 来源 . 2 1.4 课题研究内容 . 2 第二章 研究方法及研究工具介绍 .4 2.1 有限元法 . 4 2.1.1 有限元研究方法 . 4 2.1.2 有限元的基本思想 . 4 2.1.3 有限元的优点 . 5 2.1.4 有限元应用 的种类 . 5 2.1.5 有限元软件的分析步骤 . 6 2.2 三维实体建模软件 Solidworks 简介 . 6 2.3 ANSYS 模态功能介绍 . 6 2.4 有限元分析软件 ANSYS Workbench 简介 . 7 第三章 压力机机身的静态分析 .8 3.1 机身简介 . 8 3.2 机身有限元分析 . 9 3.2.1 制定方案 . 9 3.3 有限元模型的建立 . 9 3.3.1 单元类型的选择 . 10 3.3.2 单元网格的划分 . 10 3.3.3 边界条件的施加 .11 V 3.3.4 边界约束条件 .11 3.3.5 材料特性的施加 . 12 3.4 计算结果分析 . 12 3.4.1 机身的应力应变要求 . 12 3.4.2 应力图形显示 . 13 3.4.3 整体变形图 . 14 3.4.4 局部变形图 . 17 3.4.5 X， Y， Z方向最大变形量的对比 . 18 3.4.6 机身角变形与角刚度计算 . 18 第四章 机身结构的改进设计 . 21 4.1 优化方案一 . 21 4.1.1 应力图显示 . 21 4.1.2 整体变形图显示 . 22 4.1.3 喉口变 形图显示 . 24 4.1.4 X， Y， Z方向最大变形量的对比 . 26 4.1.5 角变形与角刚度 . 26 4.2 优化方案二 . 27 4.2.1 应力图显示 . 27 4.2.2 整体变形图 . 28 4.2.3 喉口变形图 . 29 4.2.4 X， Y， Z方向最大变形量的对比 . 31 4.2.5 角变形与角刚度 . 31 4.3 优化方案三 . 32 4.3.1 应力图显示 . 32 4.3.2 整体变形图显示 . 33 4.3.3 喉口变形图显示 . 34 4.3.4 X， Y， Z方向最大变形量的对比 . 36 4.3.5 角变形与角刚度 . 36 VI 4.4 选择最佳优化方案 . 37 第五章 机身的模态分析 . 38 5.1 模态分析概念 . 38 5.2 模态分析的原理 . 38 5.3 改进机身的自由模态分析 . 39 5.4 无约束模态下的振型描述 . 44 第六章 总结与展望 . 51 6.1 总结 . 51 6.2 展望 . 51 致 谢 . 52 参考文献 . 53 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 1 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，随着其在汽车零秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 2 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秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 3 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 4 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秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 5 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 6 2.1.5 有限元软件的分析步骤 1 （ 1）明确目标： 什么类型的分析； 怎么构建模型； 什么单元。 （ 2）创建有限元模型： 创建或读入几何模型； 定义材料属性； 划分网格（节点及单元）。 （ 3）施加载荷及求解： 施加载荷及载荷选项、设定约束条件； 求解。 （ 4）查看结果： 查看分析结果； 检验结果（分析是否正确）。 通俗的表示就是： 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。 2.3 ANSYS 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，我们进准备工作 预处理 求解 后处理 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 7 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 ANSYS Workbench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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 8 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 : 12501250； 机身材料是 Q235A，密度 3/7800 mkg ； 许用角变形 980 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 3.1 MT200 压力机机身结构简图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 9 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 3/7800 mkg 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 10 图 3.2 MT200 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 11 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秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 12 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 GPa ，泊松比 为 0.27 0.3 ，本 文取 PaE 11100.2 ， 3.0 ， Q235 钢 的密 度取3/7800 mkg 。 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3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 2 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 Von Mises 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 ， 安全系数s 而s = )()()(21 213232221 其中： 1 ， 2 ，3第一，第二，第三主应力。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 13 由前可知，机身材料为 Q235， MPas 235 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 安全系数/ =235/1.47=160MPa ，而我们所要的应力要求是： MPa160 。 （ 2）机身变形要求 : mmxx 1 mmyy 1 mmzz 1 。 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 3.5 Von Mises 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 14 2）喉口应力图 图 3.6 喉口 Von Mises 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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 15 1） 机身总变形图 图 3.7 机身总变形图 2 )X 方向变形图 图 3.8 X 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 16 3) Y 方向变形图 图 3.9 Y 方向变形图 4） Z 方向变形图 图 3.10 Z 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 17 3.4.4 局部变形图 1） 喉口 X 方向的变形图 图 3.12 喉口 X 方向的变形图 2） 喉口 Y 方向的变形图 图 3.13 喉口 Y 方向的变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 18 3） 喉口 Z 方向的变形图 图 3.14 喉口 Z 方向的变形图 3.4.5 X， 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 /mm X 方向 0.0646 0.02 Y 方向 0.318 0.177 Z 方向 0.051 0.052 如表 3-1 所示，机身的最大拉伸应变为 0.318 mm，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。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 19 图 2.13 MT200 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aC表示，即 aC= 式中 P压力机承受载荷，在此为公称载荷 KNg 200； 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 AB 、 BC 、 DE 、 EF ，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： tan l = AB /L1； tan 2= BC / L2； tan 3= DE / L3； tan 4= EF / L4； 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 20 AB =AY-BY=23.8428e-5-15.70778e-5=8.12e-2 mm；BC=BY-CY=15.70778e-5-13.62045e-5=2.09e-2 mm； DE =DY-EY=3.83148e-5-1.47969e-5=2.35e-2 mm； EF =EY-FY=1.47969e-5-（ -7.04108） e-5=9.52e-2mm； 角变形可近似计算为： l tan l=1LAB =8.12e-2/855=9.52e-5 rad =95rad 2 tan 2=2LBC =2.09e-2/210=9.95e-5 rad =99.5rad 3 tan 3=3LDE =2.35e-2/210=11.9e-5 rad =111.9rad 4 tan 4=4LEF =9.52e-2/855=10.72e-5rad=111.3rad 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： aC=0.00l2Pg=0.24(KN/rad)。机身角刚度aC= / =200/417.7=0.479(KN/rad) aC，角刚度符合要求。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 21 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： x1mm y1mm z1mm。 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 4.1 Von Mises 应力云图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 22 2）喉口应力图 图 4.2 喉口 Von Mises 应力云图 4.1.2 机 身变形图显示 1） X 方向变形图 图 4.3 X 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 23 2） Y 方向变形图 图 4.4 Y 方向变形图 3） Z 方向变形图 图 4.5 Z 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 24 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 25 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 26 4.1.4 X， 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 /mm X 方向 0.0812 0.0266 Y 方向 0.422 0.2240 Z 方向 0.0831 0.0835 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 mmeeeBA YYAB 255 834.17531.11365.29 ； mmeeeCBYYBC 255 069.5462.6531.11 ； 255 6 9 7.16 2 8.23 2 5.4 eeeED YYDE mm ； EF =EY-FY=2.628e-5-（ -12.414） e-5=15.042e-2mm； 则角变形可近似计算为： l tan l=1LAB =17.834e-2/855 =208.6rad 2 tan 2=2LBC =5.069e-2/210=241.4rad 3 tan 3=3LDE =1.697e-2/210=80.8rad 4 tan 4=4LEF =15.042e-2/855=175.9rad 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aC= / =200/706.7=0.283( /KN rad ) aC，角刚度符合要求。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 27 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 4.10 Von mises 应力云图 2） 喉口应力图显示 图 4.11 喉口 Von mises 应力云图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 28 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 4.12 X 方向变形图 2） Y 方向变形图 图 4.13 Y 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 29 3） Z 方向变形图 图 4.14 Z 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 30 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 31 4.2.4 X， 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 /mm X 方向 0.0836 0.0266 Y 方向 0.8104 0.2397 Z 方向 0.0978 0.0996 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 AB =AY-BY=22.6171e-5-10.8077e-5=11.8094e-2 mm； BC=BY-CY=10.8077e-5-7.9582e-5=2.8495e-2 mm； DE =DY-EY=5.95543e-5-3.15226e-5=2.80317e-2 mm； EF =EY-FY=3.15226e-5-（ -2.953） e-5=6.10526e-2mm； 则角变形可近似计算为： l tan l=1LAB =11.8094e-2/855=13.85e-5 rad =138.1rad 2 tan 2=2LBC =2.8495e-2/210=13.57e-5 rad =135.7rad 3 tan 3=3LDE =2.80317e-2/210=13.35e-5 rad =133.5rad 4 tan 4=4LEF =6.10526e-2/855=6.88e-5rad=71.4rad 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 ： aC ar dKNPg /24.00 0 1 2.0 。 而此机身角刚度 aC =P/ =200/478.7=0.42(KN/ ard秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 32 aC，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 4.18 Von mises 应力云图 2）喉口 Von mises 应力图 图 4.19 喉口 Von mises 应力云图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 33 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 4.20 X 方向变形图 2） Y 方向变形图 图 4.21 Y 方向变形图 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 34 3） Z 方向变形图 图 4.22 Z 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 35 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 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 36 4.3.4 X， 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 /mm X 方向 0.0887 0.0261 Y 方向 0.819 0.2349 Z 方向 0.0975 0.0998 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 AB =AY-BY=23.9927e-5-9.22325e-5=14.76945e-2 mm； BC=BY-CY=9.22325e-5-6.67034e-5=2.55291e-2 mm； DE =DY-EY=3.99859e-5-1.85532e-5=2.14327e-2 mm； EF =EY-FY=1.14327e-5-（ -3.48141） e-5=5.33673e-2mm； 则角变形可近似计算为： l tan l=1LAB =10.76945e-2/855 =172.7rad 2 tan 2=2LBC =2.55291e-2/210 =121.6rad 3 tan 3=3LDE =2.14327e-2/210 =102.1rad 4 tan 4=4LEF =5.33673e-2/855=62.4rad 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aC=P/ =200/458.8=0.44(KN/rad) aC，角刚度符合要求。 秦镜淳 MT200 压力机机身结构有限元分析及改进设计 37 4.4