MP160型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計

本科生畢業(yè)設計 畢業(yè)設計題目 MP160 型雙主機大梁沖機身結構 有限元分析及優(yōu)化 設計 學 生 姓 名 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班 級 指 導 教 師 完 成 日 期 2014 年 6 月 2 日 MP160 型 雙主機大梁沖機身 結構 有限元分析及優(yōu)化設計 I 中文摘要 壓力機是生產(chǎn)大型模鍛件的 重要加工設備 。本文以 MP160 壓力機機身為研究對象 ， 利用有限元分析軟 ANSYS, 在壓力機機架滿足足夠的 應力 條件下， 進行優(yōu)化，對于 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質量，降低制造成本，增強企業(yè)競爭力 具有重要意義 。為提高壓力機產(chǎn)品的性能、質量和壽命降低產(chǎn)成本提供科學計算分析的依據(jù)從而能夠增強其產(chǎn)品在市場的競爭力。其主要內容如下： 1、對 MP160 型 壓力機機身 進行三維實體建模； 2、了解 MP160 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； 4、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； 5、對 機身 模型進行模態(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。 最后對論文的研究內容進行總結和展望。 關鍵詞： MP160,有限元 ,ANSYS 軟件，優(yōu)化設計 II Abstract The press is an important processing equipment for the production of large forgings. In this paper, MP160 press frame as the research object, using finite element analysis software ANSYS, optimization in the press frame satisfy the stress conditions, adequate, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. In order to improve the performance, quality and service life of press products reduce costs and provide scientific analysis basis so as to enhance the competitiveness of its products in the market. The main contents are as follows： 1. for the 3D solid modeling of MP160 press frame; 2. understanding of MP160 press the nature of the work and work state; analysis of the work load, boundary conditions and loading scheme; 3. mesh, static finite element analysis, the stress and strain distribution of the fuselage ; 4. according to the analysis results, the stress concentration risk areas to take measures to improve the stress condition; in the low stress area, changing the size variables, in order to reduce the overall quality of components of the objective. Re for finite element analysis, test after changing the size of stiffness and strength. The above steps are repeated, until obtaining the best scheme. 5. the free modal analysis on the model, solving the natural frequencies and corresponding vibration modes of dynamic parameters, and analyzes its influence on the working condition of the. Finally, the research contents of this paper is summarized and prospected. Keywords:MP160 ， finite element analysis ， ANSYS， optimization design III 目錄 中文摘要 . I Abstract . II 第一章 緒論 . 1 1.1 壓力機發(fā)展的現(xiàn)狀 . 1 1.2 有限元法的介紹 . 2 1.3 ANSYS 軟件的介紹 . 3 1.4 本課題來源及研究的目的和意義 . 4 1.4.1 課題來源 . 4 1.4.2 研究的目的和意義 . 4 1.4.3 本課題需要研究的內容和要解決的問題 . 5 第二章 壓力機機身的靜態(tài)分析 . 7 2.1 機身簡介 . 7 2.2 有限元模型的建立 . 7 2.2.1 單元類型的選取 . 8 2.2.2 添加材料常數(shù) . 8 2.2.3 網(wǎng)格的劃分 . 8 2.2.4 邊界條件的施加 . 9 2.3 計算結果分析 . 11 2.3.1 應力和變形要求 . 11 2.3.2 應力圖形顯示 . 12 2.3.3 變形圖顯示 . 12 2.3.4 應力分析 . 15 2.3.5 變形分析 . 15 2.3.6 討論 . 16 第三章 機身結構的優(yōu)化 . 17 IV 3.1 優(yōu)化分析 . 17 3.2 優(yōu)化方案： . 17 3.2.1 優(yōu)化方案一 : . 17 3.2.2 優(yōu)化方案二： . 20 3.2.3 優(yōu)化方案三： . 24 第四章 機身模態(tài)分析 . 28 4.1 模態(tài)分析概述 . 28 4.2 機身的模態(tài)分析結果 . 29 4.2.1 機身自由模態(tài)圖 . 29 4.2.3 機身約束模態(tài)圖 . 33 第五章 結果 . 38 5.1 計算結果分析 . 38 5.2 對應力以及變形進行綜合優(yōu)化分析后所得的結論 . 38 第六章 結論與展望 . 40 6.1 結論 . 40 6.2 展望 . 40 致謝 . 42 參考文獻 . 43 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 1 第一章 緒論 1.1 壓力機發(fā)展的現(xiàn)狀 壓力機以其良好的加工工藝性能， 廣泛應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)中應用最廣的設備之一。自 19 世界問世以來發(fā)展很快，已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的設備之一。 壓力機在鍛壓設備中起重要作用，早期人們對機身的研究是采用材料力學的方法，計算出設備在公稱壓力下危險點的應力和機身的最大變形， 將機身簡化成材料力學中的桿件或桿件組合，其計算結果是非常粗糙的，很難說明問題。設計者為了保險，往往加大安全系數(shù)，結果使得設備非常笨重，既增加了成本，又浪費了原材料 2- 4。 如今， 采用有限元分析軟件 ANSYS可以對機身進行模態(tài)分 析 5.它通過確定多自由度系統(tǒng)的固有頻率、固有振型、模擬質量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等模態(tài)參數(shù)，可以預測工況下的振動情況，便于找出過大的振動、過高的噪聲等一些不正常的響應。通過模態(tài)分析可以找出有害振型和危險區(qū)域的節(jié)點位置 6,由此指導改進系統(tǒng)的局部結構，改善其動態(tài)特性，使之滿足動態(tài)強度和剛度的要求。夏敏，向華，庒新村認為伺服壓力機作為新一代的成形設備在板料成形領域已經(jīng)進入實用階段，正日益發(fā)揮重要作用。它解決了傳統(tǒng)壓力機滑塊運動特性單一、壓力不易控制、工藝適應性較差的問題，不僅適用于典型的板料成形工藝，而且 滿足了日趨復雜的板料成形新工藝的需要。但是伺服壓力機主要賴于經(jīng)驗和實踐，缺乏相關理論的指導，以及其成本較大 7。謝鵬認為交流伺服電機驅動的壓力機可大大提高設備的自動化、智能化水平，改善壓力機的工作特性，是新一代成形設備的發(fā)展方向。國外發(fā)達國家已經(jīng)投入研制使用階段，而目前國內這一技術尚比較落后 8。陽林、潘曉濤指出國外數(shù)控壓力機的應用已經(jīng)進入普及和成熟的階段。美國在 1978 年至 1983 年間共產(chǎn)生數(shù)控壓力機約六萬臺，相當于美國全部壓力機總數(shù)的 20%左右 9。 在國內，數(shù)控壓力機的研制工作起步較晚， 水平也較低。金風明、竇志平、韓新民等人認為我國壓力機制造自 80 年代開始，通過技術引進，合作制造和自主創(chuàng)新等模式積極吸收、消化國外機械壓力機先進設計及其制造技術，目前已經(jīng)完全掌握機械壓力機設計和制造技術。如今，隨著我國經(jīng)濟的快速增長，對高精度、高效率的大型伺服壓力機的需求不斷增加。伺服壓力機的發(fā)展將會朝著柔性化、智能化、 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 2 節(jié)能性好、精度高的方向發(fā)展 10 。 1962 年 6 月我國實驗生產(chǎn)了第一臺 12000 噸水壓機，主要設計標準是機身的強度與剛度，由于受力情況較復雜，在當時的設計水平只能采用近似法，即按照簡支梁的負 荷進行核算 。張祖芳等對開式壓力計機身進行三維有限元分析，根據(jù)分析結果進行機身的結構改進和優(yōu)化，既提高了機身強度、剛度和角度剛，又減輕了機身重量 。王俊領等通過對軋機機架的有限元分析，找出了危險點的位置，確定了極限安全系數(shù)的問題 。史寶軍等分析了開式壓力機床身的結構特點，然后介紹了應用有限元法對開式壓力機機床身的結構特點，然后介紹了應用有限元法對開式壓力機床身進行結構分析時的力學模型簡化方法，并結合若干工程實例，對開式壓力機床具進行了有限元分析與結構優(yōu)選，取得了既減輕床具重量、又提高強度和剛度的顯著效果，為 結構的合理設計與改進提供了可靠的理論依據(jù)。 國外對壓力機的機身也有大量的研究，德國的 M.Neumann 和 H.Hahn 建立了機械壓力機的三種不同復雜程度的工程模型，并通過實驗實驗進行驗證模型的參數(shù)，從而對壓力機進行計算機仿真和動態(tài)設計 11。丹麥的 M.Arentoft， M.Eriksen 和T.Wanheheim 設計了一種壓力機實驗來確定壓力機的六個剛度，從而為壓力機的設計提供了有益的幫助 12。顯示器可以顯示出壓力機的壓制次數(shù)、每次的壓制壓力、油漏、循環(huán)周期等十多個參數(shù) 13。 1.2 有限元法的介紹 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，由結構力學擴展到流體，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，從航空技術領域擴展到航天、土木建筑、機械制造、水利工程、造船、電子技術及原子能等。由單一物理場的求解擴展到多物理場的耦合，其應用的深度和廣度都得到了極大 地拓展。 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 ,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 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 3 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余量法，將微分方程離散求解。 1.3 ANSYS 軟件的介紹 ANSYS 是一款以有限元分析為基礎的大型通用 CAE 軟件 ,是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 CAD 工具之一，該軟件是由美國 ANSYS 公司研制開發(fā)的融結構、流 體、熱、聲、電磁等學科于一體的大型通用有限元分析軟件 14。 在 ISO9001 國際質量體系認證中， ANSYS 軟件是第一個通過認證的大型分析設計類軟件。它對包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、求解、后處理 、優(yōu)化設計等在內的模塊都具有一體化的處理技術 15 。ANSYS 中的 Structral 模塊提供了完整的結構分析功能，包括幾何非線性材料非線性各種動力分析等計算能力，此程序包在結構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構分析問題：如機械結構受力，變形及內部應力情況等等利用 ANSYS 軟件對機械模進行仿真模擬計算，通過應力應變云圖直觀展示構件的性能特點，從而為解決機械結 構中常見的問題提供理論依據(jù)。傳統(tǒng)的結構優(yōu)化設計是由設計者提供幾個不同的設計方案，從中比較，挑選出最優(yōu)的方案。這種方法，往往是建立在設計者的經(jīng)驗的基礎上，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 16。將 ANSYS 用于結構設計中，設計人員可以根據(jù)仿真分析的結果進一步了解機構的性能特點，主動地尋求最佳設計方案，使產(chǎn)品的設計更為合理，從而有效地提高產(chǎn)品的質量與工作性能 17。 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）查看結果。包括查看分析結果；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構設計和機床運行應考慮的主要問題，基于此，利用 solidworks 和 ANSYS 軟件對壓力機進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析和諧響應應分析，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)特性以及后面的設計改造 提供了實驗數(shù)據(jù)，為這種類型的壓力機設計改進提供了參考 18 。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 4 1.4 本課題來源及研究的目的和意義 1.4.1 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 MP160 型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)品的市場的競爭力。該設備的主要的參數(shù)如下： 型 號 : MP160 公 稱 壓 力 : 1600KN 標準行 程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 機身材料是 Q235A，密度 =7800kg/m3 許用角變形 =1200 微?。?該公司以往的壓力機是利用傳統(tǒng)設計方法，設計方案只是根據(jù)經(jīng)驗所提出，沒有經(jīng)過實驗校核和有限元分析，可能導致剛度、強度的不足、材料多余等問題，本論文結合現(xiàn)代設計方法，借助有限元分析工具對 MP160 壓力機機身做有限元分析和優(yōu)化。 1.4.2 研究的目的和意義 課題的目的：利用有限元軟件對壓力機機身進行結構優(yōu)化設計，在滿足壓力機機身的強度和剛度的基礎上改善壓力機的形狀，達到總體結構輕量化和最優(yōu)化 的目標。我國壓力機的分析水平還不高，長期以來還停留在材料力學的方法上，將機身簡化成桿梁結構，許用應力大多來自經(jīng)驗。對機身的有限元分析大多限于靜態(tài)分析，而動態(tài)方面研究做得很少。隨著電子技術、計算機技術與機床技術的結合，使得分析設計的內容更加完善化、目標最優(yōu)化、過程動態(tài)化、使機床加工高速化、加工過程自動化和柔性化。 課題的意義：隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機的需求越來越多，國內國際市場競爭非常激烈。我國目前壓了機機身的設計長期以來還沿用經(jīng)驗、類比的傳統(tǒng)設計方法，設計出的床身不僅性能差，結構笨重，速 度和精度都不高，而且設計周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢。這些問題使得國產(chǎn)壓力機在高檔次壓 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 5 力機領域無法與國外壓力機相抗衡，隨著電子技術、計算機技術與機床分析技術的結合，要求我們引入現(xiàn)代設計理念和手段，利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)特征的計算，對壓力機機身做全面的分析優(yōu)化。同時，對壓力機的優(yōu)化方法進行優(yōu)化方法探索，實現(xiàn)真正意義上的設計。 1.4.3 本課題需要研究的內容和要解決的問題 （ 1） 研究的內容 本文要求運用有限元分析軟件 ANSYS對 MP160型 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，分析各種振型對液壓機工作狀態(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，為液壓機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據(jù)。主要任務內容有： 1） 對 MP160 型 壓力機機身 進行三維實體建模； 2） 了解 MP160 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）技術要求 1） 要求校核 MP160 型 壓力機在承載條件下的剛度和強度。 2） 要求在保證液壓機強度和剛度的條件下對液 壓機主要部件進行優(yōu)化設計。 3） 分析液壓機的模態(tài)，并對液壓機的工作狀況進行評估。 （ 3）方案定制 1）閱讀圖紙 ，根據(jù)分析對主板，主墊板，隔板，拖動架的結構進行適當、合理的 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 6 簡化，然后運用三維造型軟件 Solid Works，完成三維實體造型； 2） 熟悉并掌握有限元分析軟件 ANSYS，將所建立的實體模型導入 ANSYS 中； 3） 了解 MP160 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； 4） 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； 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。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 7 第二章 壓力機機身的靜態(tài)分析 2.1 機身簡介 機身是壓力機的一個基本支撐部件，工作時承受全部工作變形力。因此，機身的合理設計對減輕壓力機重量，提高壓力機剛度，以及減少制造工時，都有直接的影響。機身分為兩大類，即開式機身和閉式機身。機身結構分為鑄造結構和 焊接結構兩種。 MP160 壓力機機身為半開半閉的焊接加螺栓結構，左右基本對稱，建構簡圖如圖 2.1.1，主要技術規(guī)格如下： 型 號 : MP160 公 稱 力： 1600KN 標準行程次數(shù) : 25mm 行程 50 次 /分 圖 2.1 壓力機機身結構圖 2.2 有限元模型的建立 在進行有限元分析之前，首先需要將分析對象的結構模型轉換為便于分析的結構分析模型或力學模型。為保證全面地反映機身的應力應變情況，同時使得有限元模型得到簡化，確定以下建模規(guī)則： 1） 對于 明顯不會影響機身整體強度、剛度的部位，如螺釘孔、銷孔、圓角 等予以簡化； 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 8 2） 認為焊接質量可靠，且不考慮焊接對各板傳力的影響； 3） 將導軌看成自由界面，滑塊與導軌之間無力的傳遞； 4） 地腳螺栓剛度無限大、不考慮地基及機身以外部件彈性變形。 2.2.1 單元類型的選取 用三維實體單元來描述機身結構，能反映機身的實際情況、在 ANSYS 軟件里，三維實體單元有六面體單元和四面體單元兩種。由于六面體單元在劃分時要求結構規(guī)則，而對于機身這類較復雜的結構，對其進行六面體單元的自動劃分十分困難。采用四面體單元分析三維結構，單元 劃分比較靈活，可以逼近較復雜的幾何形狀。因此，本文計算時，采用單元 Solid45，該單元為四面體 8 節(jié)點三維實體線性單元，每個節(jié)點有三個移動自有度，同時指定單元邊長，這樣可以得到比較均勻的單元，從而節(jié)省計算時間。 2.2.2 添加材料常數(shù) 選用的機身材料為 Q235A，彈性模量 E=2.1E11Pa；泊松比 =0.3， Q235A，密度 =7800kg/m3 。 2.2.3 網(wǎng)格的劃分 單元的劃分遵循 “均勻應力區(qū)粗劃，應力梯度大的區(qū)域細劃 ”的原則，網(wǎng)格應細劃的位置：喉口圓角處及主墊板，網(wǎng)格應粗劃的位置是：左右側板的絕 大部分及兩側板間的連接筋板等部位。 一般來說，網(wǎng)格數(shù)量越多越能反映實體的應力應變情況，提高計算的精度，但隨著單元數(shù)的增加，計算量也越來越大，本文的單元大小為 50mm,細劃部位采用的單元大小為 40mm,經(jīng)過劃分單元后，共有 136128 個節(jié)點， 81431 個單元。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 9 圖 2.2 網(wǎng)格圖 2.2.4 邊界條件的施加 （ 1）載荷的施加 載荷的施加是有限元分析的重要環(huán)節(jié)，它直接關系到計算結果的真實性。已知該型壓力機所受最大載荷即公稱力 160KN,設備在工作時受到兩個方向的載荷，一個是作用在液壓缸的上表面，方向向上；另一個作 用在工作臺上，方向向下。兩力大小相等，方向相反。液壓缸上表面和工作臺上的載荷均是均布載荷。 （ 2） 工作臺及液壓缸上載荷的處理 工作臺上的載荷按均布載荷處理，其大小計算如下： P=F*1.2/A 其中： F公稱壓力； A受力面積； 1920KN 的動載荷平均分布在工作臺上，則 P=1600KN*1.2/（ 0.16*0.16） =75MPa。 缸上的載荷按均布載荷， P=1600KN*1.2/（ *0.1*0.1） =61MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 10 圖 2.3 工作臺加載力示意圖 圖 2.4 缸上加載力示意圖 （ 3） 邊界的約束條件 施加邊界約束條件是有限元分析過程的重要一環(huán)，邊界約束條件的準確度直接 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 11 影響到有限元分析的結果。在有限元分析中確定邊界條件一般應做到以下幾條：要施加足夠的約束，保證模型不產(chǎn)生剛體位移；施加的邊界條件必須符合物理模型的實際工況；力求簡單直觀，便于計算分析。 在本文的靜力分析中，對機座底部的所有自由度進行約束。 2.3 計算結果分析 2.3.1 應力和變形要求 （ 1）變形要求： mmxx 1 ； mmyy 1 ； mmzz 1 。 （ 2）要求 :材料為低碳鋼，結構的破壞形式一般為塑性屈服。因而在強度分析中采用第三強度理論或第四強度理論。第三強度理論未考慮主應力 2 影響，可以較好的表現(xiàn)塑性材料屈服現(xiàn)象，適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。第四強度理論考慮了注意力 2 的影響，而且和實驗較符合，與第三強度理論比較更接近實際情況。因而在強 度評價中通常采用第四強度理論導出的等效應力e（又稱 Von Mises 等效應力）來評價。 第四強度的含義就是：在任何應力狀態(tài)下，材料部發(fā)生破壞的條件是： e 許用應力， 安全系數(shù) s 而e= )()()(21 213232221 其中： 1 ， 2 ，3第一，第二，第三主應力 由前可知，機身材料為 Q235A， s =235MPa。 考慮到疲勞修正系數(shù)和疲勞修正系數(shù)安全系數(shù)，故安全系數(shù)取 1.5，則 = s /安全系數(shù) =235/1.5=160MPa。 而我們所要的應力要求是： 160MPa。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 12 2.3.2 應力圖形顯示（單位： MPa，以下相同） 確定上述條件后，運用 ANSYS 軟件求解，得出機身的位移分布圖和等效應力分布圖。 1） Von Mises 應力等值線圖。 圖 2.5 Von Mises 應力等值線圖 2） Von Mises 局部圖 圖 2.6 Von Mises 局 部圖 2.3.3 變形圖顯示 （單位： mm，以下相同） 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 13 1） X 方向變形圖 圖 2.7 X 方向變形圖 2） Y 方向變形圖 圖 2.8 Y 方向變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 14 3） Z 方向變形圖 圖 2.9 Z 方向變形圖 4）總體變形圖 圖 2.10 總體變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 15 2.3.4 應力分析 由總應力（圖 2-4），可以看出：最大 Von Mises 應力為 111 MPa ，發(fā)生在候口處，也遠遠小于該材料的許應力。 2.3.5 變形分析 （ 1）候口處的角變形： 角變形 ta n /yuL其中 ： yu為節(jié)點 Y 位移； L 為三角形 X 邊長； 由圖 2-14、圖 2-15 可以看出： 角變形（上） =0.57987 3e m/0.6m=0.966 3e 弧 =966urad ； 角變形（下） =0.046139 3e m/0.27m=0.171 3e 弧 =171urad ； 角變形共計 =12=966+171=1137urad =aC aC=0.001gP式中： aC機身的許用叫剛度， KN/urad ； gP壓力機公稱力 ， KN。 aC=0.001*1600=1.6 KN/urad （ 3）角剛度計算aC= 1.2* 610 /gaP 其中aC機身角剛度， KN/urad ； gP壓力機公稱力， KN； a機身的角變形 ， rad。 aC=(1.2*1600* 610 )/(1137* 610 )=1.69 KN/urad 1.6。 （ 3）沿 X 方向最大變形 0.623mm 在油缸處，工作臺沿 X 方向變形為 0.037mm。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 16 沿 Y 方向最大變形 0.612mm 在油缸處，工作臺沿 Y 方向變形為 0.0187mm。 沿 Z 方向最大變形 0.0514mm，在右側板候口處 ,工作臺沿 Z 方向變形為 0.00595mm。 位移最大值在液壓缸和候口處為 0.775，最小值在工作臺處為 0mm。 2.3.6 討論 機身與墊板連接處直接承壓情況 圖 2.11 機身與墊板連接處 Von Mises 應力等值線放大圖 如圖所示，壓力機最大應力出現(xiàn)在候口處，即 :最大 Von Mises 應力值為 111 MPa ，候口優(yōu)先優(yōu)化設計。而機身和墊板連接處最大 Von Mises 值為 98MPa 。最大變形在候口和液壓缸處，著重考慮候口處的角變形。 所以優(yōu)化設計要圍繞候口處展開。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 17 第三章 機身結構的優(yōu)化 3.1 優(yōu)化分析 通常，一個好的產(chǎn)品設計，往往是綜合各種因素，提出一種初始方案，然后對其進行數(shù)值分析，使其滿足強度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性和壽命等要求的預期目標，然后反復修改方案，使其具有較好的使用性能，并力求節(jié)省材料和能源，經(jīng)濟而具有競爭力。 機身的優(yōu)化原則是：通過改變機身板的厚度，應用 ANSYS 計算出機身最大應力，并滿足應力和變形要求：應力： 160MPa。 變形要求： x1mm y1mm z1mm。 3.2 優(yōu)化方案： 3.2.1 優(yōu)化方案一 : 為了減少材料，在原來方案的基礎上將主板厚度減少 20mm。 1） 機身幾何模型圖 圖 3.1 機身幾何模型圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 18 2） Von Mises 應力等值線圖 圖 3.2 Von Mises 應力等值線圖 3） X 方向位移變形圖 圖 3.3 X 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 19 4） Y 方向位移變形圖 圖 3.4 Y 方向位移變形圖 5） Z 方向位移變形圖 圖 3.5 Z 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 20 6）總體變 形圖 圖 3.6 總體變形圖 1） 從結構在 Y 方向的全場應力等值線圖（圖 3-3）：最大應力為 132.76MPa，主要分布在候口處，大于許用應力。兩側板應力不大。從第四強度理論 Von Mises（圖 3-3）應力等值線圖可以看出，主板應力區(qū)域最大應力為 132MPa,出現(xiàn)在侯口處。 2） 從結構在 Y 方向的位移等值線圖（圖 3-4）可以看出：最大正變形為 0.60291mm， 在液壓缸處，最小負變形為 0.18732mm，小于 1mm?？偽灰疲▓D 3-6）可以看出最大變形為 0.81344mm，小于 1mm。 靜態(tài)結構優(yōu)化成功。 3.2.2 優(yōu)化方案二： 在二方案的基礎上，在候口處左右加外輪廓，輪廓厚度為 20mm，具體圖形如圖（ 3.7）所示。 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 21 1）機身幾何模型 圖 3.7 機身幾何模型 2） Von Mises 應力等值線圖 圖 3.8 Von Mises 應力等值線圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 22 3） X 方向位移變形圖 圖 3.9 X 方向位移變形圖 4） Y 方向位移變形圖 圖 3.10 Y 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 23 5） Z 方向位移變形圖 圖 3.11 Z 方向位移變形圖 6）總體變形圖 圖 3.12 總體變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 24 從結構在 Y 方向的全場應力等值線圖（圖 3.8）可以 看出：最大應力為 129pa 左右，主要分布在候口處，小于許用應力。兩側板應力不大。 從結構在 Y 方向的位移等值線圖（圖 3.10）可以看出：最大正變形為 0.58141mm，在液壓缸處，最小負變形為 0.18217mm，小于 1mm。總位移（圖 3.12）可以看出最大變形為 0.78587mm，小于 1mm。 靜態(tài)結構優(yōu)化成功。 3.2.3 優(yōu)化方案三： 在第二步優(yōu)化的基礎上加加強筋，把兩側主板切除一部分。 1）機身幾何模型 圖 3.13 機身幾何模型 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 25 2） X 方向位移變形圖 圖 3.14 X 方向位移 變形圖 3） Y 方向位移變形圖 圖 3.15 Y 方向位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 26 4） Z 方向位移變形圖 圖 3.16 Z 方向位移變形圖 5） 總體位移變形圖 圖 3.17 總體位移變形圖 劉惠斯 MP160 型雙主機大梁沖機身結構有限元分析及優(yōu)化設計 27 6） Von Mises 應力等值線圖 圖 3.18 Von Mises 應力等值線圖 1）結構在 Y 方向全場應力等值線圖（圖 3.18）可以看出：最大應力為 132M