MP160型雙主機大梁沖機身結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計開題報告

廣陵 學院畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學 生 姓 名： 劉惠斯 學號 :100007120 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 設(shè)計（論文）題目： MP160 型 雙主機大梁沖機身 結(jié)構(gòu) 有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 指 導 老 師： 鄭 翔 2012 年 3 月 20 日 2 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 1、結(jié)合畢業(yè)設(shè)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(nèi)外液壓機發(fā)展狀況 壓力機以其良好的加工工藝性能，廣泛應(yīng)用在各類機械加工和耐火材料制造企業(yè) 1。其中液壓機是制品成型生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的設(shè)備之一。自 19 世界問世以來發(fā) 展很快，已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備之一。由于液壓機在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國民經(jīng)濟各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。如板材成型；管、線、型材擠壓；粉末冶金、塑料及橡膠制品成型；膠合板壓制、打包；人造金剛石、耐火磚壓制和炭極壓制成型；輪軸壓裝、校直等等。各類類型液壓機的迅速發(fā)展，有力的促進了各種工業(yè)的發(fā)展和進步。液壓機是利用帕斯卡定律制成的利用液體壓強傳動的機械。油壓機由主機及控制機構(gòu)兩大部分組成。油壓機主機部分包括機身、液壓缸及充液裝置等。動力機構(gòu)由油箱、高壓泵、低壓控制系統(tǒng)、電動機及各種壓力閥和方向閥等組成 。動力機構(gòu)在電氣裝置的控制下，通過泵和油缸及各種液壓閥實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)和輸送，完成各種工藝動作的循環(huán) 2。 液壓機作為一種通用的無屑成型加工設(shè)備，其工作特點一是動力傳動為 “ 柔性 ” 傳動，不像機械加工設(shè)備一樣動力傳動系統(tǒng)復雜，這種驅(qū)動原理避免了機器過載的情況；二是液壓機的拉伸過程中只有單一的直線驅(qū)動力，沒有 “ 成角的 ” 驅(qū)動力，這使加工系統(tǒng)有較長的生命期和高的工件成品率 3。液壓機因具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝適應(yīng)性強、環(huán)境污染小等其他設(shè)備不可替代的性能特點，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、國防、電力電子、塑 料、機械、冶金和輕工等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。影響液壓機質(zhì)量的因素很多，其中液壓機本體的設(shè)計水平起著重要的作用。液壓機本體是液壓機的重要組成部分，其重量約占整機重量的 60以上。液壓機本體的設(shè)計水平，對液壓機的制造成本、技術(shù)性能和使用壽命有著決定性的影響。我國液壓機本體的設(shè)計水平還比較落后，研究關(guān)于液壓機本體的設(shè)計方法，對提高我國液壓機的整體設(shè)計水平、增強相關(guān)企業(yè)的生存和發(fā)展能力具有重要的現(xiàn)實意義。 世界上第一臺水壓機的發(fā)明標志著現(xiàn)代液壓技術(shù)工程應(yīng)用的開始 ,這是由英國科學家約瑟夫在 1795 年發(fā)明的。由于 早期技術(shù)水平的限制即使已經(jīng)發(fā)展了二、三百年的液壓傳動技術(shù)在實際中很長一段時間內(nèi)沒有得到廣泛應(yīng)用 4。在我國，液壓行業(yè)已形成了門類齊全，有一定生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，初具規(guī)模的生產(chǎn)科研體系。目前全國約有近 300 家企業(yè)，還有液壓研究室（所），國家級液壓元件質(zhì)量監(jiān)督檢測中心以及國家重點實驗室。我國液壓工業(yè)重視同國外企業(yè)進行有效的經(jīng)濟和技術(shù)合作，近年來先后從國外引進了很多液壓元件和液壓系統(tǒng)等制造技術(shù)，為提高產(chǎn)品 3 水平和生產(chǎn)能力起了重要作用。目前已和美國、日本、德國共同建立了某些合資企業(yè)，這些企業(yè)將推動我國液壓工業(yè)的發(fā)展 。 在國外，液壓工業(yè)的發(fā)展速度高于機械工業(yè)。為了滿足用戶的需要，主機品種日益增多，產(chǎn)品更新速度加快，相應(yīng)要求液壓元件增加品種，實現(xiàn)多樣化，因而液壓件屬于大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品相對減少，大部分屬于成批或小批生產(chǎn)。為適應(yīng)這種動向，國外生產(chǎn)方式也有所變化。 國內(nèi)、外有些廠家采用可編程控制器控制方式，如天津鍛壓機械廠有近 54的產(chǎn)品裝有 PM。通過采用 Pth 控制，使系統(tǒng)的控制性能和可靠性大大提高。丹麥的紅血們公司采用 SIEMNES 的可編程控制器，實現(xiàn)對壓力和位移的控制。而與國外發(fā)展情況相比，國內(nèi)極少有采用工業(yè)控制機控制方式 的產(chǎn)品，成熟的產(chǎn)品是采用可編程控制器的控制方式 5。 走向二十一世紀的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進和擴展，不斷擴大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。主要的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方面：（ 1）減少能耗，充分利用能量；（ 2）泄漏控制；（ 3）污染控制；（ 4）主動維護，提高故障診斷水平；（ 5）機電一體化；（ 6）液壓 CAD 技術(shù)。 1.2 有限元的發(fā)展及現(xiàn)狀 有限元法是計算力學中的一種重要的方法，它是 20 世紀 50 年代末 60 年代初興起的應(yīng)用教學、現(xiàn)代力學及計算機科學相互滲透、綜合利用的邊緣 科學。有限元發(fā)展至今，已由二維問題擴展到三維問題、板殼問題，由靜力學問題擴展到動力學問題、穩(wěn)定性問題，由結(jié)構(gòu)力學擴展到流體，力學、電磁學、傳熱學等學科，由線性問題擴展到非線性問題，由彈性材料擴展到彈塑性。塑性、黏塑性和復合材料，從航空技術(shù)領(lǐng)域擴展到航天、土木建筑、機械制造、水利工程、造船、電子技術(shù)及原子能等。由單一物理場的求解擴展到多物理場的耦合，其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大地拓展 6。 有限元法的基本思路是將計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi) ,選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點 ,將微 分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式 ,借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解 7。 有限元法是 R.Courant于 1943年首先提出的 8。自從提出有限元概念以來 ,有限元理論及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。過去不能解決或能 ； 解決但求解精度不高的問題 ,都得到了新的解決方案。 傳統(tǒng)的 FEM假設(shè) ： 分析域是無限的 ； 材料是同質(zhì)的 ,甚至在大部分的分析中認為材料是各向同性的 ；對邊界條件簡化處理。但實際問題往往是分析域有限、材料各向異性或邊界條件難以確定等 9。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 10。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(yīng)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(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)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(shè)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 4 究等各個領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)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(shè)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(shè)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 111213。 在有限元法應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展、求解精度不斷提高的同時 , 有限元也從分析比較向優(yōu)化設(shè)計方向發(fā)展 14。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 對拖拉機前橋進行優(yōu)化設(shè)計 ,結(jié)果不但降了約 40%的前橋自重 ,還避免了在制造過程中的大量焊接工藝 ,降低 了生產(chǎn)成本。有限元在國內(nèi)的應(yīng)用也十分廣泛。自從我國成功開發(fā)了國內(nèi)第一個通用有限元程序系統(tǒng) JIGFEX 后 ,有限元法滲透到工程分析的各個領(lǐng)域中 ,從大型的三峽工程到微米級器件都采用有限元進行分析 15-16,在我國經(jīng)濟發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。 有限元的發(fā)展趨勢：（ 1）與 CAD 的無縫合成（ 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(jié)構(gòu)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 是一款以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE軟件 ,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級 CAD 工具之一，該軟件是由美國 ANSYS 公司研制開發(fā)的融結(jié)構(gòu)、流 體、熱、聲、電磁等學科于一體的大型通用有限元分析軟件 17。 在 ISO9001 國際質(zhì)量體系認證中， ANSYS 軟件是第一個通過認證的大型分析設(shè)計類軟件。它對包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解、后處理 、優(yōu)化設(shè)計等在內(nèi)的模塊都具有一體化的處理技術(shù) 18。 ANSYS 中的 Structral 模塊提供了完整的結(jié)構(gòu)分析功能，包括幾何非線性材料非線性各種動力分析等計算能力，此程序包在結(jié)構(gòu)分析方面具有強大的功能。在實際生產(chǎn)過程中， 常常會遇到各種各樣的機械結(jié)構(gòu)分析問題：如機械結(jié)構(gòu)受力，變形及內(nèi)部應(yīng)力情況等等利用 ANSYS 軟件對機械模進行仿真模擬計算，通過應(yīng)力應(yīng)變云圖直觀展示構(gòu)件的性能特點，從而為解決機械結(jié)構(gòu)中常見的問題提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是由設(shè)計者提供幾個不同的設(shè)計方案，從中比較，挑選出最優(yōu)的方案。這種方法，往往是建立在設(shè)計者的經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，再加上資源時間的限制，提供的可選方案個數(shù)有限，往往不一定是最優(yōu)的方案。如想獲得最佳的方案，就要提供更多的設(shè)計方案進行比較，這就需要大量的資源，單靠人力往往難以做到 19。將 ANSYS 用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員可以根據(jù)仿真分析的結(jié)果進一步了解機構(gòu)的性能特點，主動地尋求最佳設(shè)計方案，使產(chǎn)品的設(shè)計更為合理，從而有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量與工作性能20。 一個典型的 ANSYS 分析過程可分為以下三個步驟：（ 1）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何模型；定義材料屬性；劃分單元（節(jié)點及單元）；（ 2）施加載荷進行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；（ 3）查看結(jié)果。包括查看分析結(jié)果；檢驗分析是否正確。壓力機的可靠性、安全性、加工精度和使用壽命等是機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和機床運行應(yīng)考慮的主要問題，基于此，利 用solidworks 和 ANSYS 軟件對壓力機進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)應(yīng)分析，通過分析得出壓力機的靜剛度、前六階振型及固有頻率，為評價壓力機的動靜態(tài)特性以及后面的設(shè)計改造提供了 5 實驗數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機設(shè)計改進提供了參考 21。 參考文獻 ： 1 董建興 .壓力機再制造關(guān)鍵技術(shù)及實例研究 D.山東理工大學機械設(shè)計及理論專業(yè)碩士學位論文， 2013.4 2 朱釩 ,張志，張道富，李慶亮 ,司徒忠 .國內(nèi)外液壓機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .機床與液壓， 2000. 3 許福玲 ,陳堯明 .液壓與氣壓傳動（第三版） M北京：機械工 業(yè)出版社， 2007. 4 陳成 .20MN 快速薄板成型液壓機液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真 D.合肥工業(yè)大學機械工程專業(yè)碩士學位論文， 2013.4 5 葉勁松 .冶金設(shè)備液壓技術(shù)的發(fā)展趨勢 .武鋼技術(shù) .2005.5. 6 陳錫棟，楊婕，趙曉棟，范細秋，有限元的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 J.中國制造業(yè)信息化 .2010.6. 7 張晉紅，吳風林，有限元法及其應(yīng)用現(xiàn)狀 J.綜述 .2007.04. 8 李開泰 ,黃艾香 ,黃慶懷 .有限元方法及其應(yīng)用 M.西安 :西安交通大學出版社 ,1992:1-3. 9 于亞婷 ,杜平安 ,王振偉 .有限元法的應(yīng)用現(xiàn)狀研究 J.機械設(shè) 計 ,2005,22(3):6-8. 10 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(shè)計有限公司；北京天圓泰工程造價咨詢有限公司， 2011 11 傅永華 .有限元分析基礎(chǔ) M .武漢 :武漢大學出版社 ,2003.8. 12 李人憲 .有限元法基礎(chǔ) M .北京 :國防工業(yè)出版社 ,2002.5. 13 楊先海 , 褚金奎 , 尹 明富等 . 有限 元數(shù)值模 擬技術(shù)及 工程應(yīng)用 J. 機械設(shè)計與制造 ,2003(3):107-108. 14 韓西 ,鐘厲 ,李博 .有限元分析在結(jié)構(gòu)分析和計算機仿真中的應(yīng)用 J .重慶交通學院學報 ,2001(20):124-126 . 15 吳夢喜 ,王建鋒 ,蘇愛軍 .三峽庫區(qū)寨壩 變形體的滲流 變形有限元耦合分析 J.巖土工程學報 ,2003(4):445-448. 16 方華軍 ,劉建設(shè) ,任天令 .硅基 PZT 壓電驅(qū)動 MEMS 光開關(guān)的設(shè)計與優(yōu)化 J.微納電子技術(shù) ,2003(7/8):400-403. 17 田會然 .800MN 多向模鍛液壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析 D秦皇島：燕山大學材料加工工程專業(yè)碩士學位論文， 2005-11-26. 18 馮明益 .車輪模鍛液壓機新式結(jié)構(gòu)研究 D.燕山大學材料加工工程專業(yè)碩士學位論文， 2013.5 19 劉云平 ，包華，陳明 .ANSYS 軟件的優(yōu)化分析介紹 D.南通大學建筑工程學院 .0000-2157/SG（ 2010） 04-0053-05. 20 黃一江 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用 J應(yīng)用技術(shù)， 2013（ 4). 21 王亞利 .ANSYS 軟件在機械結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 M佛山職業(yè)技術(shù)學院， 1006-4311（ 2014）03-0203-02. 6 畢業(yè)設(shè)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 課題來源 本課題來源于江蘇金方圓數(shù)控機床有限公司。 MP160 型 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(shù)對 MP160 型 壓力機進行結(jié)構(gòu)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(zhì)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 MP160 型 壓力機 進行有結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(yīng)的振型，分析各種振型對液壓機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的力學特性以及進而改善其結(jié)構(gòu)有重要的意義，為液壓機的設(shè)計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務(wù)內(nèi)容有： 對 MP160 型 壓力機機身 進行三維實體建模； (1) 了解 MP160 型 壓力機 工作性質(zhì)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； (2) 劃分網(wǎng)格，進行有限元結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，求出機身的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律， 評價載荷對壓力機工作性能的影響； (3) 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(yīng)的振型等動態(tài)參數(shù)，分析其對工作狀況的影響； (4) 根據(jù)分析結(jié)果，在應(yīng)力集中危險區(qū)域采取措施改善應(yīng)力狀況；在低應(yīng)力區(qū)域，改變相關(guān)尺寸變量，以達到減輕部件總體質(zhì)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 MP160 型壓力機的三維模型； (3) 將精整壓力機的模型導入 ANSYS 軟件； (4) 添加材料特性：機身材料是 Q235A,密度 =7800 /m3； (5) 對單元進行網(wǎng)絡(luò)劃分，遵循 “均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細劃 ”的原則； (6) 對模型選擇自由端和固定端，并添加約束條件； (7) 對壓力機進行加載：設(shè)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(yīng)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(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律； (10) 對機身結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)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 7 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，