J75G-200閉式高速壓力機結構有限元分析及改進設計開題報告

- 1 - 廣陵 學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 學 生 姓 名： 學號： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動機化 設計（論文）題目： J75G-200 閉式高速壓力機結構 有限元分析及改進設計 指 導 老 師： 2014 年 3 月 20 日 - 2 - 畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、 結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000 字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 1.1 國內外高速壓力機發(fā)展狀況 機械 行業(yè) 是國民產(chǎn)業(yè)中極其重要的基礎行業(yè) 1。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機需求也越來越多，國內國際市場競爭非常激烈。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，機械行業(yè)正從以機器為特征的傳統(tǒng)技術時代向著高速化、 高精化和柔性化的信息時代發(fā)展，即利用當代高科技信息來裝備傳統(tǒng)的機械行業(yè) 2。我們運用有限元分析技術對 高速壓力機 進行結構分析并給出優(yōu)化方案。本課題的研究主要是為了為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。本課題中的 J75G-200 閉式高速壓力機采用兩種有限元分析軟件 Ansys Workbench 10.0 和 Abaqus 對其剛度和強度分別進行模擬分析 ,得出機身的應力和變形的分布 ,為結構的合理設計提供了可靠的理論依據(jù) 3。 高速壓力機的發(fā)展將近有 100 年的歷史。 1900 年德國的舒勒 (SCHULER)壓力機公司發(fā)明生產(chǎn)出世界第一臺自動化壓力機 4。美國亨利特公司在 1910 年首創(chuàng)四柱底傳動結構的高速壓力機，當時稱為 dieing machine5。在 1955 年以前該機為高速壓力機的代表機型。以后隨著電機和電器工業(yè)的發(fā)展，各國紛紛研制高速壓力機。 1953 年德國舒勒公司生產(chǎn)出 1250kN 閉式雙點壓力機，行程 20mm，行程次數(shù)達到 150rpm6。后來美國明斯特（ MINSTER）公司推出的 Pulsar 系列超高速壓力機以及日本會 田公司引進瑞士布魯?shù)吕展炯夹g生產(chǎn) AIDA-BRUDERER 系列 BSTA 型高速壓力機和 PDAL 系列高速壓力機也均采用了上傳動方式，不但提高了動態(tài)精度，也在一定程度上減少了噪聲 78。 隨著科學的發(fā)展，技術的革新，壓力機的品種越來越多，質量越來越好，壓力越來越大，精度也越來越高。目前世界上能夠生產(chǎn)出一流壓力機的主要國家都是傳統(tǒng)的制造強國，其中以日本、美國和德國為主?，F(xiàn)在和日本、德國并稱為世界三大高速壓力機生產(chǎn)基地 69。 世界上已經(jīng)能夠設計生產(chǎn)出最大壓下能力為 60000KN 的單動壓力機、最大 壓下能力為 32000KN 的雙刀壓力機以及最大壓下能力為 85000KN 的多工位壓力機 10。 國內高速壓力機是上世紀 80 年代開始從國外引進技術而發(fā)展起來的。目前，生產(chǎn)高速壓力機的主要廠家有上海第二鍛壓機床廠、廈門鍛壓機床有限公司、諸城鍛壓機床股份有限公司、寧波機床廠和江蘇揚力集團等。我國第一臺高速壓力機是在 1982 年由 - 3 - 濟南鑄鍛機械研究所和北京低壓電器廠共同研制的。該壓力機公稱力為 600KN，最高的速度可達到 400 次 /min。隨后又成功研制了公稱力 300KN，最高速度 600 次 /min 的高速精密壓力機?？缛?21 世紀后，國內企業(yè)中徐州鍛壓機床廠的高速沖床生產(chǎn)開始形成規(guī)模，先后研制成功了 JF75G 系列閉式高速壓力機和 V H45 開式高速精密沖床，其沖壓速度分別達到 600 次 /min 和 1200 次 /min11。目前，由于國內材料技術和機械加工技術與國外先進技術存在差距，國內高速壓力機的發(fā)展也受到了相應的制約。其中差距主要表現(xiàn)在高速壓力機的可靠性和加工精度上，在高精度的加工領域內缺乏競爭力；國內的自動控制與補償技術還未較好的應用于高速壓力機中，使國內產(chǎn)品精度相對先進技術較低 ；由于國內高速壓力機產(chǎn)品主要通過引進技術生產(chǎn)和自我研發(fā)較少，故而國內壓力機品種和規(guī)格較為單一 121314。 1.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 有限元的的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假象的離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程進度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。有限元的創(chuàng)立與科學的發(fā)展和工業(yè)界需求相關。 1953 年， Ray W.Clough 在波音公司分析三角形機翼 振動時，將機翼分成很多片小三角形板，計算的機翼結構撓度與小比例模型試驗數(shù)據(jù)吻合是有限元的雛形。 1955 年， John H. Argyris 提出矩形單元。 1956 年，第一篇有限元文章發(fā)表，正式拉開了有限元發(fā)展的歷史 15。自從 1965 年 “有限元 ”這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元方法在工程上得到廣泛應用，已經(jīng)經(jīng)歷了四十年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑， 現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍。主要表現(xiàn)如下幾方面：增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案，降低原材料成本；縮短產(chǎn)品投向市場的時間；模擬試驗方案，減少試驗次數(shù)，從而減少試驗經(jīng)費161718。 隨著電子計算機速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越來越廣泛地被人們所接受 ,人們 不必再在編寫程序上花費大量的精力。不僅如此 ,商品化有限元程序的發(fā)展 ,還使用戶能夠擺脫手工網(wǎng)格劃分、逐點輸入結點坐標和單元聯(lián)接信息 ,而且通過屏幕菜單方式 ,得到了良好的人機對話環(huán)境和在計算結果分析上鮮明的視覺效果。目前的商品化有限元程序一般分為 3個部分 ,即前處理部分、處理部分和后處理部分。它們通過互交式計算機圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 19。 - 4 - 有限元方法的一些發(fā)展趨勢 20： （ 1） 與 CAD 軟件的無縫集成 （ 2） 更強大的網(wǎng)格處理能力 （ 3） 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 （ 4） 由單一結構場求解發(fā)展到耦合場問題求解 （ 5） 程序面向用戶具有開放性 1.3 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)。 它能與多數(shù)CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 CAD 工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分 工具，用戶可以方便地構造有限元模型。分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可 以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如 PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等。 參考文獻 1 朱森第 .我國裝備制造業(yè)的發(fā)展和提升 R.開發(fā)研究 ， 2009(1)： 6-11 2 肖燕 .信息化為現(xiàn)代制造業(yè)驅動未來 J.世界制造技術與裝備市場 ， 2011(2)： 99-104 3 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機機身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報 ， 2011， 11(1) 4 張進 .多連桿機械式壓力機動力學分析研究 D.合肥：合肥工業(yè)大學， 2012 5 劉運璽 .HD-200 高速壓力機工作機構的動力學仿真及其機身結構優(yōu)化 D.山東 ： 山東大學， 2013 6 張益鋒 ， 夏亮 ， 詹俊勇 .J75G-200 型閉式高速精密壓力機機身分析 J.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報 ， 2011， 11(1) 7 陳正中 .高速精密壓力機特點及其發(fā)展趨勢 J.鍛壓機械， 1998， 32(5)： 8-9 8 張寶瑋 .中國鍛壓技術及裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展 J.機械工人（熱加工） ， 2003， 53(4)： 41-43 9 蔣舒 .高速精密壓力機精度分析與試驗研究 .D.江蘇 ： 東南大學 ， 2010 10 周曉平 .板沖壓力機及其自動沖壓線 J.一重技 術 ， 1993(4)： 69-74 11 管培鵬 .高速壓力機多體動力學研究及仿真 D.南京：南京航空航天大學， 2012 - 5 - 12 王磊 .高速壓力機的精度分析與研究 .D.江蘇 ： 東南大學 ， 2007 13 黃才元 ， 宋志強 .中國鍛壓機床的現(xiàn)在和未來 J.鍛壓裝備與制造技術 .2006， 2， 12-17 14 趙升噸 ， 張學來 ， 高長宇等 .高速壓力機的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 J.鍛壓設備與制造技術， 2005， (1). 15 王華瑜，初克建 .土木工程有限元程序現(xiàn)狀與發(fā)展 R.山東：山東省龍口市金泰規(guī)劃建筑設計有限公司；北京天圓泰工程造價咨詢有限公司， 2011 16 傅永華 .有限元分析基礎 M.武漢 ： 武漢大學出版社 ， 2003.8 17 李人憲 .有限元法基礎 M.北京 ： 國防工業(yè)出版社 ， 2002.5 18 楊先海 ， 褚金奎 ， 尹明富等 .有限元數(shù)值模擬技術及工程應用 J.機械設計與制造 ，2003(3)： 107-108 19 張晉紅 ， 吳風林 .有限元法及其應用現(xiàn)狀 D.山西：太原理工大學機械工程學院 ， 2003 20 蔣晨 .基于有限元技術的板材加工機械優(yōu)化設計與分析 D.南京：東南大學， 2005 - 6 - 畢業(yè)設計（論文）開題報告 2、本課題要研究或解決的問題和 擬采用的研究手段（途徑）： 2.1 課題的來源 本課題來源于江蘇揚力集團有限公司。 J75G-200 閉式高速壓力機 是該公司根據(jù)市場需求而開發(fā)研制的產(chǎn)品。要求我們運用有限元分析技術對 J75G-200 閉式高速壓力機進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ， 為提高壓力機產(chǎn)品的性能，質量和壽命，降低產(chǎn)品成本提供科學計算分析的依據(jù)，增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。 2.2 課題分析（研究或解決的問題） 運用有限元分析軟件 ANSYS 對 J75G-200 閉式高速壓力機 進行有結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。利用靜態(tài) 有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據(jù)分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。模態(tài)分析可以求出機身振動的固有頻率以及相應的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為壓力機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務以及要解決的問題是： （ 1） 對 J75G-200 型壓力機機身進行三維實體建模； （ 2） 了解 J75G-200 型壓力機工作性質和工作狀態(tài)；對其進行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案 ； （ 3） 劃分網(wǎng)格，進行有限 元結構靜態(tài)分析，求出機身的應力和應變分布規(guī)律，評價載荷對壓力機工作性能的影響； （ 4） 對機身模型進行自由模態(tài)分析，求解機身固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作狀況的影響 ； （ 5） 根據(jù)分析結果，在應力集中危險區(qū)域采取措施改善應力狀況；在低應力區(qū)域，改變相關尺寸變量，以達到減輕部件總體質量的目的。重新進行有限元分析，檢驗改變尺寸后的剛度和強度。重復進行以上步驟，直到獲取最佳方案。 2.3 方案定制 （ 1） 先熟悉和了解 Solidwords 軟件和 ANSYS 軟件； （ 2） 在 Solidwords 里畫出 J75G-200 閉式高速壓力機 的三維模型； （ 3） 將高速壓力機的模型導入 ANSYS 軟件； （ 4） 添加材料特性：機底是 QT600-3，密度 =7120 /m3； 橫梁 HT300， 密度 =7300 /m3 （ 5） 對單元進行網(wǎng)絡劃分，遵循 “ 均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ” 原則 ； （ 6） 對模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； - 7 - （ 7） 對壓力機進行加載：設備在工作時承受兩個相反方向的載荷，機身所受載荷簡化為對機身的兩個方向的均布載荷； （ 8） 對壓力機進行應力場分析； （ 9） 分析壓力 機在加載情況下機身變形情況以及應力和應變分布規(guī)律； （ 10） 對機身結構進行結構靜態(tài)分析優(yōu)化，評價載荷對壓力機工作性能的影響，從而選擇合適的機身尺寸和材料厚度，盡量減輕機身的重量； （ 11） 對壓力機進行自由模態(tài)分析，得到機身結構的固有頻率以及相應的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作的狀況的影響； （ 12） 通過分析結果，改善應力狀況和改變相關尺寸變量，以減輕總體質量，然后進行有限元分析，檢驗剛度和強度，依次重復以上步驟，直至取得最佳方案。 - 8 - 方案定制框圖 課題分析對所做工作進行總結、分析、做 PPT,準備畢業(yè)答辯 。 尋找相關資料，如文獻，圖紙尺寸等 進行三維