630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì),630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì),立式,擠壓,有限元分析,改進(jìn),改良,設(shè)計(jì) 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期工作材料 學(xué) 生 姓 名： 胡遠(yuǎn)江 學(xué)號(hào)： 100007113 教 科 部： 機(jī)械力學(xué) 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目： 630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰 材 料 目 錄 序號(hào) 名 稱(chēng) 數(shù)量 備注 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）選題、審題表 1 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 1 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告 1 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述） 1 5 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯（含原文） 1 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 1 2014 年 4月 2日 廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 教 科 部： 機(jī) 械 力 學(xué) 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名: 胡遠(yuǎn)江 學(xué)號(hào): 100007113 畢業(yè)（論文）題目：630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 2014/2/18-2014/5/20 設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)： 學(xué)院機(jī)房、結(jié)構(gòu)測(cè)試與分析研究室 指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰 專(zhuān) 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人： 發(fā)任務(wù)書(shū)日期： 2014年 2月 18日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-18~2014-03-31 2014-04-20～2014-06-1 2014-06-1～2014-06-4 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實(shí)習(xí)調(diào)研和實(shí)習(xí)報(bào)告，完成開(kāi)題報(bào)告； 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)有限元軟件的使用方法、進(jìn)行理論計(jì)算與有限元模擬、分析模擬結(jié)果，接收畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 修改完善畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的所有資料、成果并歸檔。 所在專(zhuān)業(yè)審核意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 學(xué)院意見(jiàn)： 院長(zhǎng)： 年 月 日 廣陵學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 胡遠(yuǎn)江 學(xué) 號(hào)： 100007113 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 老 師： 龔 俊 杰 2014年 4 月 2日 廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯 教 科 部： 機(jī) 械 制 造 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 胡遠(yuǎn)江 學(xué) 號(hào)： 100007113 外 文 出 處： 附 件： chapter2 指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ) 簽名： 年 月 日 廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 龔俊杰 選題情況 課題名稱(chēng) 難易程度 偏難 適中 偏易 工 作 量 較大 合理 較小 符合規(guī)范化 的要求 任務(wù)書(shū) 有 無(wú) 開(kāi)題報(bào)告 有 無(wú) 外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 中 差 學(xué)習(xí)態(tài)度 出勤情況 好 一般 差 工作進(jìn)度 快 按計(jì)劃進(jìn)行 慢 中期工作匯報(bào)及解答問(wèn)題情況 優(yōu) 良 中 差 中期成績(jī)?cè)u(píng)定： 所在專(zhuān)業(yè)意見(jiàn)： 負(fù)責(zé)人 年 月 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)論文題目 630t立式冷擠壓機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 胡遠(yuǎn)江 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)械81001 指 導(dǎo) 教 師 龔俊杰 完 成 日 期 2014年6月2日 41 摘 要 本文主要是通過(guò)有限元分析軟件ANSYS 對(duì)630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜態(tài)分析，并根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果分析應(yīng)力分布和變形情況，來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析時(shí)，將機(jī)身底面四個(gè)腳采用固定約束方法限制其6個(gè)自由度，并在加載區(qū)施加均布載荷，然后計(jì)算結(jié)果，分析機(jī)身整體應(yīng)力云圖和垂直Z向整體變形圖，找到機(jī)身應(yīng)力集中區(qū)和薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)方案。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，床身整體應(yīng)力不大，說(shuō)明強(qiáng)度足夠，但是機(jī)床垂直方向變形量較大，導(dǎo)致加工精度較差。所以需要研究如何在降低機(jī)床變形量，提高加工精度的條件下，同時(shí)減少材料以降低成本。針對(duì)該機(jī)身結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，本文提出了十種優(yōu)化方案，并把每個(gè)方案分別建模，導(dǎo)入有限元軟件ANSYS，分析其強(qiáng)度和剛度，然后分析比較每個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果，最終獲得最優(yōu)的改進(jìn)方案。該方案不僅可以明顯提高機(jī)身的剛度，達(dá)到了機(jī)床加工精度的使用要求，還減輕了床身的質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞 630t冷擠壓壓力機(jī)，有限元，靜態(tài)分析，改進(jìn)設(shè)計(jì)。 Abstract This article is for 630t Vertical cold extrusion machine body static analysis by finite element analysis software ANSYS and static analysis based on the results of the stress distribution and deformation analysis , to improve , compare and choose the best solution . When cold extrusion machine to 630t Vertical fuselage structure is analyzed, the underside of the fuselage four feet fixed constraint method to limit its six degrees of freedoms, and impose uniform load in the load area, and then calculate the results, analysis Z stress cloud and down to the deformation maps, find body stress concentration zone and weaknesses, to improve the program. According to the results, it was found that the strength parameters is surplus , but the amount of deformation is large, the precision is not enough, so the next step is to ensure the accuracy in the conditions to minimize the material in order to reduce costs. The fuselage structure for the problem, this paper presents an optimization program ten, and the modeling of each program separately, importing finite element software ANSYS, static analysis of its strength and stiffness, and comparative analysis of the results of each program, eventually find the optimal improvement program, not only improves the precision of the body, reaching the machine requirements, but also reduce the mass and reduce the cost. Key words closed press, finite element method, static analysis, improvement designs 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 本課題研究概況 1 1.2 研究背景和來(lái)源 1 1.3 冷擠壓壓力機(jī)研究現(xiàn)狀 2 1.4 研究目的及意義 2 1.5 主要研究?jī)?nèi)容 4 第二章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 5 2.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 5 2.1.1 ANSYS介紹 5 2.1.2 ANSYS的主要技術(shù)特點(diǎn) 6 2.1.3 ANSYS 有限元求解的基本步驟 7 2.2 機(jī)身簡(jiǎn)介 7 2.2.1建立有限元模型 9 2.2.2單元類(lèi)型的選擇 9 2.2.3 網(wǎng)格劃分 10 2.2.4 邊界條件 11 2.2.5 材料特性 12 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 12 2.3.1 機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變要求 12 2.3.2 原始模型整體應(yīng)力圖 13 2.3.3 原始模型整體變形圖 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4 第三章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì) 15 3.1 改進(jìn)方案一 15 3.2 改進(jìn)方案二 17 3.3 改進(jìn)方案三 18 3.4 改進(jìn)方案四 20 3.5 改進(jìn)方案五 22 3.6 改進(jìn)方案六 24 3.7 改進(jìn)方案七 26 3.8 改進(jìn)方案八 28 3.9 改進(jìn)方案九 30 3.10 改進(jìn)方案十 32 3.11 最佳方案確定 35 3.12 總結(jié)與說(shuō)明 36 第四章 結(jié)論與展望 37 4.1 結(jié)論 37 4.2 展望 37 致謝 38 參考文獻(xiàn) 39 胡遠(yuǎn)江 630t立式冷擠壓壓力機(jī)有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì) 第一章 緒論 1.1 本課題研究概況 第一臺(tái)2000KN PK型肘桿式精壓機(jī)于1933年誕生于日本會(huì)田株式會(huì)社，到現(xiàn)在為止已經(jīng)生產(chǎn)超過(guò)2000多臺(tái)PK系列壓力機(jī)[9]。 30年代，德國(guó)成功開(kāi)發(fā)剛才的磷化處理工藝，為鋼制冷擠壓零件的成形創(chuàng)造了條件，并在1955年就開(kāi)始冷擠壓技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)鍛件的生產(chǎn)[9]。 隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高精度、高效率壓力機(jī)的需求愈加迫切，日本70年代就研發(fā)出CFT系列多工位壓力機(jī)，和肘桿式K型精壓機(jī)，1988年研究出FMX系列壓力機(jī)，同時(shí)日本小松研制出L1C系列和L2C系列冷鍛成形壓力機(jī)，這些壓力機(jī)精度高，操作簡(jiǎn)單，直閉式機(jī)身堅(jiān)固，變形小，滑塊調(diào)節(jié)量大，不需要潤(rùn)滑的導(dǎo)軌，另外還有自動(dòng)送料裝置和快速換膜裝置，生產(chǎn)效率高，適宜冷（溫）擠壓工藝[9]。 現(xiàn)在美國(guó)又將具有5 ～ 6工位的冷鍛機(jī)升級(jí)為“成形中心”，可以加工各種形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件。 世界正在發(fā)展溫冷擠壓復(fù)合成形工藝。美國(guó)的國(guó)民公司、德國(guó)的舒勒公司、日本的小松等均研發(fā)出整套冷溫鍛造工藝和生產(chǎn)線裝備[9]。 上世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始將冷擠壓技術(shù)應(yīng)用到自行車(chē)、摩托車(chē)和汽車(chē)等鍛件的生產(chǎn)當(dāng)中，但是由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有從根本上解決工藝，材料，自動(dòng)化及后處理等技術(shù)問(wèn)題，使得冷擠壓技術(shù)沒(méi)有得到快速發(fā)展[9]。80年代隨著交通工具的發(fā)展，冷擠壓設(shè)備技術(shù)的引進(jìn)，使得我國(guó)對(duì)冷擠壓設(shè)備的需求也越來(lái)越大，已經(jīng)掌握多工位冷鍛成形工藝，已經(jīng)可以用冷擠壓設(shè)備生產(chǎn)表殼、自行車(chē)鍛件、精鍛齒輪、火花塞、汽車(chē)等速萬(wàn)向節(jié)和照相機(jī)配件等等，已經(jīng)趕上國(guó)外先進(jìn)生產(chǎn)水平。 而中國(guó)J88型冷擠壓機(jī)拉力肘桿機(jī)構(gòu)是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)加上曲柄擺桿機(jī)構(gòu)組成[9]。由于兩套機(jī)構(gòu)均接近于下死點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)工作，所以，這種壓機(jī)滑塊的工作行程速度緩慢，有利于冷擠壓工藝，又由于機(jī)構(gòu)具急回特性，對(duì)提高生產(chǎn)效率有很大作用，因此，這種機(jī)構(gòu)廣泛使用于冷擠壓機(jī)。我國(guó)肘桿機(jī)構(gòu)冷擠壓機(jī)已經(jīng)發(fā)展成形，相繼出現(xiàn)等長(zhǎng)肘桿機(jī)構(gòu)，球頭式不等長(zhǎng)肘桿機(jī)構(gòu)和三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)。其中三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是既能夠增大滑塊的全行程量及工作行程，又能起到增力作用。因此，三角形連桿肘桿機(jī)構(gòu)適合于滑塊行程及工作行程較大受力也較大的冷擠壓工藝[9]。 1.2 課題研究背景和來(lái)源 冷擠壓壓力機(jī)是鍛壓機(jī)械的一種，通過(guò)通用曲柄連桿機(jī)構(gòu)或肘桿機(jī)構(gòu)以及其他如齒輪機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)，加工精度高，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)，冷擠壓零件在汽車(chē)中所占的比例越來(lái)越大，所以大力研究和發(fā)展冷擠壓設(shè)備對(duì)提高我國(guó)機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)力是非常重要的，但是在我國(guó)，對(duì)于壓力機(jī)的設(shè)計(jì)多是采用經(jīng)驗(yàn)和類(lèi)比的傳統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法，最后設(shè)計(jì)出的壓力機(jī)往往存在很多問(wèn)題，比如：機(jī)床笨重，速度低，精度差，耗時(shí)長(zhǎng)，成本較高，而且性能差，生產(chǎn)效率低，無(wú)法和發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)定型的較成熟的設(shè)備相比，競(jìng)爭(zhēng)壓力較大。所以我國(guó)企業(yè)必須改變傳統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)方法，如現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主流的有限元分析法。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析法已用運(yùn)而生并且已被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)，工程，機(jī)床等諸多領(lǐng)域，對(duì)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)揮重要作用。本課題主要來(lái)源于校企合作的自選課題，對(duì)630t立式冷擠壓機(jī)進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高剛度和精度，并減輕質(zhì)量。 1.3 冷擠壓機(jī)的研究現(xiàn)狀 趙長(zhǎng)樣[10]等對(duì)J31-400冷擠壓壓力機(jī)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)J31-400冷擠壓壓力機(jī)在自行車(chē)生產(chǎn)中不適合左右后花盤(pán)的擠壓工藝要求問(wèn)題，提出了改進(jìn)方案，通過(guò)理論計(jì)算和有限元仿真手段，設(shè)計(jì)出了JA87-500冷擠壓壓力機(jī)，該機(jī)采用的是下傳動(dòng)偏心式閉式立式結(jié)構(gòu)，如下圖1-1JA87-500冷擠壓壓力機(jī)動(dòng)作原理簡(jiǎn)圖。 圖1-1 JA87-500冷擠壓壓力機(jī)動(dòng)作原理簡(jiǎn)圖 為了改善壓力機(jī)受力情況和走動(dòng)特性，采用了滑塊中心和偏心齒輪中心有一定偏距的偏置機(jī)構(gòu)，如下圖1-2所示JA87-500齒輪滑塊偏置機(jī)構(gòu)。 圖1-2 JA87-500齒輪滑塊偏置機(jī)構(gòu) 采用該機(jī)構(gòu)有以下幾點(diǎn)好處： （1） 改變滑塊正反行程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有利于進(jìn)行冷擠壓工藝。 （2） 偏置后減少了滑塊對(duì)導(dǎo)軌的作用力，提高了機(jī)床的導(dǎo)向精度。 JA87-500冷擠壓壓力機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)、行程大、噸位高、能量足，提高了我國(guó)鍛件的生產(chǎn)能力和加工精度，已經(jīng)成為了我國(guó)大噸位專(zhuān)用冷擠壓壓力機(jī)。 1.4 本課題的研究目的及意義 目的：我國(guó)冷擠壓機(jī)和國(guó)外比有很大差距，主要原因在分析研究上，國(guó)外不僅用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，還通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬。而我國(guó)主要是通過(guò)理論計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算許用應(yīng)力，再用有限元分析軟件來(lái)分析，但側(cè)重靜態(tài)分析，很少用模擬實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)做大量的實(shí)驗(yàn)。本課題的研究希望能動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)，優(yōu)化選擇方案，實(shí)現(xiàn)冷擠壓機(jī)的高速化和自動(dòng)化，提高機(jī)床的精度，減輕質(zhì)量，提高壽命，增加我國(guó)壓力機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 意義：本課題主要是通過(guò)有限元分析法來(lái)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，模擬冷擠壓機(jī)床身的變形、應(yīng)力分布和振動(dòng)情況，選擇最優(yōu)方案，提高我們機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)能力。另外應(yīng)用這些先進(jìn)的分析方法，還能夠提高我國(guó)壓力機(jī)的剛度、精度、穩(wěn)定性和使用壽命，提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容與要求 本課題主要是對(duì)630t立式冷擠壓機(jī)床身進(jìn)行有限元計(jì)算，分析擠壓機(jī)在承受 800t 載荷作用時(shí)，床身的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，從而了解機(jī)床的強(qiáng)度和剛度。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用大型通用有限元軟件對(duì)擠壓機(jī)進(jìn)行整體建模，分析得到各個(gè)部件應(yīng)力與變形的全場(chǎng)分布規(guī)律，并對(duì)擠壓機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保證擠壓機(jī)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高機(jī)床的剛度和加工精度,本課題要求加工精度小于1mm（即上下兩加載板之間的總變形量小于1mm），上加載板前后左右變形量要一致，避免機(jī)身前后或者左右發(fā)生扭曲變形，否則嚴(yán)重影響加工精度，在此基礎(chǔ)上考慮到機(jī)身應(yīng)力的合理分布，要減輕床身的重量以節(jié)省材料和制造成本。 第2章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析 對(duì)于630t立式冷擠壓壓力機(jī)分析，主要采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力與變形的計(jì)算，通過(guò)分析計(jì)算得到的云圖，了解強(qiáng)度和剛度，以此來(lái)分析機(jī)床的剛性和加工精度。 2.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 2.1.1 ANSYS介紹 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、石油工業(yè)、航空航天、機(jī)械制造、能源、船泊、土木、海洋工程、生物工程等許多領(lǐng)域。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā).它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、 NASTRAN、I－DEAS、Auto CAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一，是有限元法的在工程上的實(shí)際應(yīng)用。ANSYS軟件是第一個(gè)通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）、美國(guó)核安全局（NQA）及近二十種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國(guó)內(nèi)第一個(gè)通過(guò)了中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國(guó)務(wù)院十七個(gè)部委推廣使用。現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)了ISO9001 2000質(zhì)量體系認(rèn)證[17]。 ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 前處理模塊（前處理器）提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。包括參數(shù)定義、實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分[17]。 分析計(jì)算模塊（求解器）包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。在次階段，我們進(jìn)行分析類(lèi)型定義、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷選項(xiàng)。 后處理模塊（后處理器）可將計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。在ANSYS中后處理模塊分為通用后處理模塊（POST1）和時(shí)間歷程后處理器（POST26）[17]。 啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫(huà)面以后，程序會(huì)停留在開(kāi)始平臺(tái)。我們可以從開(kāi)始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）等。各個(gè)模塊如下圖2-1 ANSYS程序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)主菜單[17]。 模塊結(jié)構(gòu) SOUTION 求解器 POST1 通用后處理器 POST26 時(shí)間歷程后處理器 OPT 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊 RUNSTAT 評(píng)估分析模塊 OTHER 其它功能 圖2-1 ANSYS程序的模塊化結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)主菜單 2.1.2 ANSYS的主要技術(shù)特點(diǎn)[17] ANSYS成為載有限元分析軟件中的佼佼者，是因?yàn)樗衅渥陨淼莫?dú)特優(yōu)勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)，下面作簡(jiǎn)要說(shuō)明： 1. 程序功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣，用戶界面友好。 2. 交互式圖形顯示。 3. 能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多耦合分析。 4. 統(tǒng)一使用集中的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)和結(jié)果。 5. 具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能。 6. 具有強(qiáng)大的非線性分析能力。 7. 方便的二次開(kāi)發(fā)能力。 1.5.4 ANSYS 有限元求解的基本步驟[17] ANSYS軟件含有多種有限元求解功能，包括從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析。不過(guò)一個(gè)典型的ANSYS分析過(guò)程一般可以分成三步： 1．建立模型 （前處理模塊：Preprocessor） 1) 指定工作名(Job name)和標(biāo)題(Title)。 2) 選擇并定義單元類(lèi)型。 3) 定義單元實(shí)常數(shù)。 4) 定義材料特性。 5) 創(chuàng)建或讀入幾何模型。 6) 劃分網(wǎng)格獲得網(wǎng)格化的模型。 7) 檢查模型。 8) 存儲(chǔ)模型。 2. 加載求解（求解模塊：Solution） 1) 選擇分析類(lèi)型并設(shè)置分析選項(xiàng)。 2) 施加載荷。 3) 設(shè)置載荷步選項(xiàng)。 4) 求解。 3. 查看分析結(jié)果。 1）查看分析結(jié)果。 2）分析處理并評(píng)估結(jié)果。 2.2 機(jī)身簡(jiǎn)介 壓力機(jī)的一個(gè)基本支撐部件就是機(jī)身，在運(yùn)作的時(shí)候?qū)⒊惺苋抗ぷ髯冃瘟ΑＲ虼?，合理設(shè)計(jì)機(jī)身結(jié)構(gòu)對(duì)提高壓力機(jī)剛度和減少機(jī)身質(zhì)量，降低成本，都有重要的意義。 機(jī)身分為三大類(lèi)，即開(kāi)式機(jī)身和閉式機(jī)身和半閉式。我研究的630t立式冷擠壓機(jī)是半閉式的。框架形結(jié)構(gòu)床身剛性好，所以能承受較大的載荷，而且載荷分布比較均勻。該設(shè)備的主要參數(shù)與要求如下： 型號(hào): 630t立式； 機(jī)身材料是Q235， 密度； 彈性模量E=210GPa； 泊松比μ=0.3； 動(dòng)載荷系數(shù)：1.2（由于設(shè)備在使用中載荷會(huì)隨時(shí)間有一定的變化）； 加載800 t；（考慮到動(dòng)載荷系數(shù)，實(shí)際加載=630*1.2=750t） 上下加載板垂直方向相對(duì)位移最大1mm。 如下圖2-2所示為630t立式冷擠壓壓力機(jī)三維Solid works圖。 圖2-2 630t立式冷擠壓機(jī)床身的正視圖與左視圖 2.2.1 有限元模型的建立 打開(kāi)ANSYS 有限元軟件導(dǎo)入所建的機(jī)身模型如下： (直接將solid works軟件所建立的630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身三維模型導(dǎo)入到 ANSYS軟件中)如下圖2-3 導(dǎo)入的630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身模型。 圖2-3 導(dǎo)入的630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身模型 2.2.2單元類(lèi)型的選擇 該機(jī)身是 Q235 焊接結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般的六面體單元無(wú)法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的使用要求，而不管多么復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，四面體單元都能精確底反映出結(jié)果信息，適應(yīng)性強(qiáng)，所以可采用四面體單元?jiǎng)澐郑疚脑?ANSYS 中計(jì)算時(shí)采用的單元類(lèi)型就是四面體單元。此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會(huì)降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型。 2.2.3 單元網(wǎng)格的劃分 本文采用自由網(wǎng)格劃分，但為了遵循“均勻應(yīng)力區(qū)粗劃，應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)劃”的原則，部分參數(shù)設(shè)置如下; 將relevance center 設(shè)置成fine; 將smoothing 設(shè)置成high； 將transition 設(shè)置成fast； 將Span angle center設(shè)置成fine； 圖2-4 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如圖 網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖2-5所示。有限元模型中一共有275024個(gè)節(jié)點(diǎn)，有 149378個(gè)單元。 圖2-5 630t立式冷擠壓機(jī)機(jī)身網(wǎng)格劃分后模型 2.2.4 邊界條件的施加 機(jī)身靜態(tài)分析的邊界條件包括兩個(gè)方面：邊界約束和施加載荷。 1） 載荷的施加 實(shí)際載荷取800t，而ANSYS軟件中輸入的載荷是壓強(qiáng)值，故轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)作為載荷，其中上矩形墊板尺寸：250*280mm 下環(huán)形墊板尺寸：D=300mm，d=85mm 上矩形墊板載荷/面積=123MPa 下環(huán)形墊板載荷/面積=114MPa 2）邊界約束條件 機(jī)座的底面四個(gè)腳采用固定約束方式來(lái)限制其6個(gè)自由度，由于考慮到機(jī)身近60t的重量，因此要施加向下的重力加速度9.8m/s2。如下圖2-6邊界條件施加效果圖。 圖2-6邊界條件施加效果圖 2.2.5 材料特性的施加 機(jī)身為Q235鋼的板材焊接結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)其變形是彈性變形。材料特性常數(shù)包括：彈性模量、泊松比、密度，Q235鋼的彈性模量E為206.76GPa，泊松比μ為0.27～0.3，本文取 E=2.1×1011Pa，μ=0.3， Q235鋼的密度取ρ= 7800kg/m3。 2.3 計(jì)算結(jié)果分析 2.3.1 機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變要求 （1）機(jī)身材料為低碳鋼，結(jié)構(gòu)的破壞形式一般為塑性屈服，所以在強(qiáng)度分析中采用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論。但是第三強(qiáng)度理論未考慮主應(yīng)力σ2影響，σ2它可以較好的表現(xiàn)塑性材料塑性屈服現(xiàn)象，只適用于拉伸屈服極限和壓縮屈服極限相同的材料。 而第四強(qiáng)度理論考慮了主應(yīng)力σ2的影響，且和實(shí)驗(yàn)較符合，它與第三強(qiáng)度理論比較更接近實(shí)際情況。因而在強(qiáng)度評(píng)價(jià)中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力σε來(lái)評(píng)價(jià)。 第四強(qiáng)度的含義就是：在任何應(yīng)力狀態(tài)下，材料不發(fā)生破壞的條件是：σε≦[σ] [σ]——許用應(yīng)力 ， [σ]= σS/安全系數(shù) 而σS = （第四強(qiáng)度理論公式） 其中：σ1——第一主應(yīng)力； σ2 ——第二主應(yīng)力； σ3——第三主應(yīng)力； 由前可知，機(jī)身材料為Q235，σS =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 1.47，則[σ]= 材料屈服強(qiáng)度 /安全系數(shù)=235/1.47=160MPa ，所以我們所要的應(yīng)力要求是： [σ]≤160MPa。 （2） 機(jī)身變形要求: ； 上加載板前后左右變形量要一致。 2.3.2 原始模型整體應(yīng)力圖 首先對(duì)原始設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)行有限元計(jì)算，圖2-7所示為床身整體應(yīng)力分布圖。 如圖2-7原始模型整體應(yīng)力云圖 圖2-8最大應(yīng)力點(diǎn)局部放大圖 從圖2-7 可以看出，機(jī)身應(yīng)力的最大值為205.37MPa，發(fā)生在上支撐板根部，圖2-8 所示為該處局部應(yīng)力放大圖。超過(guò)材料的許用應(yīng)力160MPa，說(shuō)明機(jī)身局部應(yīng)力偏大，導(dǎo)致強(qiáng)度不滿足要求。 另外從圖上可以看出，床身大部分區(qū)域應(yīng)力程度較低，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，存在減重的空間，以減少材料降低制造成本。 2.3.3 整體變形圖 該機(jī)身所受載荷主要是上下Z軸方向方向，而且整體上左右相對(duì)対稱(chēng)，所以接下來(lái)主要考慮受力方向Z方向的變形量，最后再檢驗(yàn)下X方向和Y方向的總變形量，滿足要求即可。整體Z向變形如下圖2-9所示： 圖2-9 原始模型整體Z向變形圖 由圖2-9 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.96461mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.30791mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.96461-（-0.30791）=1.273mm，明顯已經(jīng)超過(guò)了1mm的精度要求，故要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，減小變形量。 希望通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不增加床身自重的前提下，來(lái)減小上加載板和下工作臺(tái)之間的相對(duì)位移量，提高機(jī)床的加工精度。 第3章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì) 機(jī)身的優(yōu)化原則是：通過(guò)改變機(jī)身板的厚度或筋板厚度或地腳螺栓位置，應(yīng)用ANSYS計(jì)算出機(jī)身最大應(yīng)力，并滿足應(yīng)力和變形要求： 應(yīng)力：[σ]≤160MPa； 變形：δz ≤1mm； 上加載板前后左右變形量要一致。 3.1 改進(jìn)方案一 由變形圖3-1顯示，主要變形區(qū)在上、前半部分，集中在加載板支撐部分，因此首先想到的就是將加載板左右支撐板加厚30mm，如下圖截圖所示 圖3-1將加載板左右支撐板加厚30mm 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-2、整體Z向變形如圖3-3。 圖3-2改進(jìn)方案一機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-3改進(jìn)方案一機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-2可知最大應(yīng)力σmax=190.13MPa，大于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠；由圖3-3 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.92151mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.30279mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.92151-（-0.30279）=1.224mm >1mm，變形量較大，剛度不夠； 質(zhì)量m=58374kg，增加35kg；顯然此方案無(wú)法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.2 改進(jìn)方案二 為了提高方案一改進(jìn)后的左右支撐板支撐能力，就在該支撐板上各加2個(gè)加強(qiáng)筋，如下圖3-4所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400。 圖3-4改進(jìn)方案二機(jī)身結(jié)構(gòu)修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-5、整體Z向變形如圖3-6。 圖3-5改進(jìn)方案二機(jī)身應(yīng)力云圖 圖3-6改進(jìn)方案二機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-5可知最大應(yīng)力σmax=163.2MPa，大于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠；由圖3-6 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.84801 ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.3027mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.84801-（-0.3027）=1.151mm >1mm，變形量較大，剛度不夠，但是和前一個(gè)方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量m=58514kg增加175kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度、剛度不夠，無(wú)法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.3 改進(jìn)方案三 考慮到最上面的頂板前半部分承受較大的載荷，而且變形較大，作為上加載板的重要支撐部分，可以在方案二的基礎(chǔ)上，將上頂板前半部分加厚40mm，如下圖3-7所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm。 圖3-7改進(jìn)方案三機(jī)身修改部分圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-8、整體Z向變形如圖3-9。 圖3-8改進(jìn)方案一機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-9改進(jìn)方案一機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-8可知最大應(yīng)力σmax=174.4MPa，大于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠；由圖3-9 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.81891 ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.30302mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.81891-（-0.30302）=1.122mm >1mm，變形量較大，剛度不夠，但是和前一個(gè)方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量m=59607g，增加1268kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度、剛度不夠，無(wú)法滿足使用要求，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.4 改進(jìn)方案四 理論上兩側(cè)豎筋板對(duì)上加載板施加向下的拉力，可以有效阻礙上加載板向上發(fā)生變形，所以在方案三的基礎(chǔ)上將兩側(cè)豎筋板加厚20mm，如下圖3-10所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm； 兩側(cè)豎筋板加厚20mm。 圖3-10改進(jìn)方案四機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-11、整體Z向變形如圖3-12。 圖3-11改進(jìn)方案四機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-12改進(jìn)方案四機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-11可知最大應(yīng)力σmax=177.94MPa，大于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠；由圖3-12 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.79633 ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.30312mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.79633-（-0.30312）=1.100mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，但是和前一個(gè)方案相比，效果很明顯。 質(zhì)量m=61122g，增加2783kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度、剛度不夠，雖然改進(jìn)后效果很好，但是質(zhì)量增加太多，嚴(yán)重增加成本負(fù)擔(dān)，所以此方案要舍去，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.5 改進(jìn)方案五 由圖2-9原始模型變形情況可以看出，機(jī)身下半部分變形最大的地方就在下工作臺(tái)上，其Z軸向下變形量大于0.3mm，所以可以將下工作臺(tái)加厚40mm，來(lái)提高其剛度，減少向下的位移量，如圖3-13所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 工作臺(tái)加厚40mm。 圖3-13改進(jìn)方案五機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-14、整體Z向變形如圖3-15。 圖3-14改進(jìn)方案五機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-15改進(jìn)方案五機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-11可知最大應(yīng)力σmax=164.72MPa，大于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度不夠；由圖3-12 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.81887 ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.28291mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.81887-（-0.28291）=1.102mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個(gè)方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量m=59985g，增加1646kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度、剛度不夠，質(zhì)量雖然增加很多，但是和前一個(gè)方案比，要好很多，需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.6 改進(jìn)方案六 由方案五可以看出，質(zhì)量還是增加很多，考慮到機(jī)身底板主要承受的是壓力，而低碳鋼抗拉能力不高，但是抗壓能力很好，所以底板無(wú)需太厚，可以適當(dāng)減少材料，如下圖3-16所示將底板厚度減去20mm： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 工作臺(tái)加厚40mm； 底板厚度減去20mm。 圖3-16改進(jìn)方案六機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-17、整體Z向變形如圖3-18。 圖3-17改進(jìn)方案六機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-18改進(jìn)方案六機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-17可知最大應(yīng)力σmax=147.61MPa，小于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠；由圖3-12 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.81803mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.28687mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.81803-（-0.28687）=1.105mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個(gè)方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量m=59066g，增加727kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度足夠，在降低應(yīng)力方面顯然比前面方案要好，但是整體剛度不夠，質(zhì)量增加依然很多，還需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.7 改進(jìn)方案七 由方案六可知，改變底板厚度對(duì)機(jī)身強(qiáng)度和重量影響很大，所以可以將底板再減去10mm，即和原始機(jī)身相比總共減去30mm，如下圖3-19所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 工作臺(tái)加厚40mm； 底板厚度減去30mm。 圖3-19改進(jìn)方案七機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-20、整體Z向變形如圖3-21。 圖3-20改進(jìn)方案七機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-21改進(jìn)方案七機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-20可知最大應(yīng)力σmax=145.18MPa，小于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠；由圖3-21 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.82008mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.29016mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.82008-（-0.29016）=1.110mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個(gè)方案相比，效果不明顯。 質(zhì)量m=58607g，增加268kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度足夠，和前面方案相比，質(zhì)量增加的很少，但是整體剛度不夠，還需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.8 改進(jìn)方案八 由圖2-2可知，上加載板的下加強(qiáng)筋與兩側(cè)豎筋板的接觸面比較小，理論上，增加加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度可以有效阻礙上加載板向上發(fā)生位移，所以將該處加強(qiáng)筋加長(zhǎng)200mm，如下圖3-22所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm； 工作臺(tái)加厚40mm； 底板厚度減去30mm； 上加載板下面兩側(cè)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度增加200mm。 圖3-22改進(jìn)方案八機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-23、整體Z向變形如圖3-24。 圖3-23改進(jìn)方案八機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-24改進(jìn)方案八機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-23可知最大應(yīng)力σmax=144.48MPa，小于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠；由圖3-24 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.81613mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.29016mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.81613-（-0.28925）=1.105mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個(gè)方案相比，總的相對(duì)位移量減小了一點(diǎn)。 質(zhì)量m=58609g，增加270kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度足夠，和前面方案相比，質(zhì)量增加的很少，但是整體剛度不夠，還需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.9 改進(jìn)方案九 由方案八可知，機(jī)身重量依然增加了270kg，考慮到機(jī)身后半部分應(yīng)力較低，垂直方向變形量較小，有很大的減料空間，而前半部分應(yīng)力和變形量較大，所以可以將上頂板后半部分的厚度適當(dāng)減掉20mm，以減輕重量，而前半部分厚度增加10mm，以提高剛度，減小Z軸向上的位移，如圖3-25所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 工作臺(tái)加厚40mm； 底板厚度減去30mm； 上加載板下面兩側(cè)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度增加200mm； 上頂板前半部分加厚10mm，后半部分減掉20mm。 圖3-25改進(jìn)方案九機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-26、整體Z向變形如圖3-27。 圖3-26改進(jìn)方案九機(jī)身整體應(yīng)力云圖 圖3-27改進(jìn)方案九機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-26可知最大應(yīng)力σmax=144.12MPa，小于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠；由圖3-27 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.80682mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.2899mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.80682-（-0.2899）=1.097mm >1mm，變形量略大，剛度不夠，和前一個(gè)方案相比，總的相對(duì)位移量減小了一點(diǎn)。 質(zhì)量m=58449g，增加110kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度足夠，和前面方案相比，質(zhì)量增加的很少，但是整體剛度不夠，還需要繼續(xù)改進(jìn)。 3.10 改進(jìn)方案十 在改進(jìn)方案五里面將下工作臺(tái)整體加厚了40mm，但是由圖2-9可知，工作臺(tái)的變形主要集中在加載區(qū)域，而加載區(qū)周?chē)冃魏苄】珊雎?，所以只需要在工作臺(tái)中間區(qū)域加個(gè)600*600*60mm的凸臺(tái)，如下圖3-28所示： 上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 底板厚度減去30mm； 上加載板下面兩側(cè)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度增加200mm； 上頂板前半部分加厚10mm，后半部分減掉20mm； 工作臺(tái)加上凸臺(tái)600*600*60mm。 圖3-28改進(jìn)方案十機(jī)身修改部位圖 將改進(jìn)后的模型重新導(dǎo)入有限元ANSYS軟件，加載、加邊界，再計(jì)算，整體應(yīng)力如圖3-29、整體Z向變形如圖3-30。 圖3-29改進(jìn)方案十機(jī)身整體應(yīng)力云圖 如圖3-30改進(jìn)方案十機(jī)身整體Z向變形圖 分析圖3-29可知最大應(yīng)力σmax=140.44MPa，小于許用應(yīng)力160MPa ，顯然強(qiáng)度足夠；由圖3-30 可以看出，床身上加載板沿Z軸垂直向上的位移為0.80906mm ，下工作臺(tái)垂直向下的位移為0.28685mm，沿z向總的相對(duì)變形量為δ=0.80906-（-0.28685）=1.095mm >1mm，變形量很接近1mm，剛度足夠，和前一個(gè)方案相比，總的相對(duì)位移量減小了一點(diǎn)。 質(zhì)量m=58238g，減少101kg；總的來(lái)說(shuō)，此方案機(jī)身強(qiáng)度和剛度足夠，而且質(zhì)量也減少了，降低了制造成本。但是考慮到上加載板前后左右變形一致的要求，所以還要進(jìn)一步檢驗(yàn)，其結(jié)果如下圖3-31所示： 圖3-31上加載板前后左右垂直向上相對(duì)位移量 由上圖3-31可以看出，上加載板前后左右的變形量分別是0.8901mm、0.8918mm、0.8989mm、0.8933mm，數(shù)值相差很小，基本一致。因此該方案滿足要求。 3.11 最佳方案的確定 比較每個(gè)方案的結(jié)果如下表3-1： 表3-1各方案比較 數(shù)據(jù) 方案 M/kg △m/kg σ/MPa δz/ mm 原始模型 58339 0 213.67 1.273 方案一 58374 35 190.13 1.224 方案二 58514 175 163.2 1.151 方案三 59607 1268 174.4 1.122 方案四 61122 2783 177.94 1.100 方案五 59985 1646 164.72 1.102 方案六 59066 727 147.61 1.105 方案七 58607 268 145.18 1.110 方案八 58609 270 144.48 1.105 方案九 58449 110 144.12 1.097 方案十 58238 -101 140.44 1.095 由上表3-1可以看出，方案五機(jī)身垂直方向上總相對(duì)變形量很小，但質(zhì)量增加最多，嚴(yán)重增加成本負(fù)擔(dān)，顯然不可取，而方案十，機(jī)身所受的最大應(yīng)力最小，垂直方向上總相對(duì)變形量最小，而且重量最輕，比原來(lái)機(jī)床重量減少了101kg，降低了成本，因此綜上所述，方案十為最優(yōu)方案。 3.12 總結(jié)與說(shuō)明 由于本課題是我校與啟東一家企業(yè)合作項(xiàng)目，目前該機(jī)床630t立式冷擠壓壓力機(jī)正處于設(shè)計(jì)階段，還沒(méi)有完全成型，所以無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)對(duì)比和檢驗(yàn)我所建模的正確性，無(wú)法看出我所設(shè)計(jì)的結(jié)果與實(shí)際的差距，但是基于有限元仿真的層面上，優(yōu)化后機(jī)身強(qiáng)度和剛度都比原來(lái)機(jī)床大有提高，質(zhì)量也減少了很多，降低了機(jī)床制造成本，效果還是很明顯的。 第四章 結(jié)論與展望 4.1 結(jié)論 本文通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)630t立式冷擠壓機(jī)進(jìn)行有限元靜態(tài)分析和結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，并得到以下兩個(gè)結(jié)論: 1. 機(jī)身的上支撐板和加載板區(qū)域，以及工作臺(tái)中間圓孔處存在較大的應(yīng)力，這主要是由于上下拉、壓應(yīng)力作用的結(jié)果。而變形較大的地方主要集中在上加載區(qū)附近，后半和下半部分變形較小。 2. 原壓力機(jī)機(jī)身能承受較大的應(yīng)力，但是精度低而且重量大，浪費(fèi)材料，對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)：上加載板左右支撐板加厚30； 在支撐板上加四個(gè)加強(qiáng)筋140*80*400； 將上頂板前半部分加厚40mm; 底板厚度減去30mm； 兩側(cè)縫隙加強(qiáng)筋長(zhǎng)度200mm； 上頂板前半部分加厚10mm，后半部分減掉20mm； 工作臺(tái)加上凸臺(tái)600*600*60mm。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)都符合要求，并且機(jī)身材料減少101kg，效果很好。 4.2 展望 由于對(duì)有限元軟件ANSYS接觸比較少，只掌握了一些簡(jiǎn)單的操作指令如導(dǎo)入模型，單元體選擇，有限元模型建立（網(wǎng)格劃分），約束和加載，并能夠簡(jiǎn)單靜態(tài)分析模型的受力情況和變形情況，但對(duì)模態(tài)分析并不熟悉，也沒(méi)有通過(guò)模態(tài)分析來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，另外還沒(méi)有通過(guò)實(shí)際測(cè)量來(lái)驗(yàn)證所建的有限元模型的正確性，但是以后到了企業(yè)，如果碰到這個(gè)問(wèn)題，一定會(huì)更加全面地分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。 致謝 在這半年的時(shí)間里，我非常感謝龔俊杰老師和李康超學(xué)長(zhǎng)對(duì)我的支持鼓勵(lì)和指導(dǎo)，尤其是李學(xué)長(zhǎng)詳細(xì)耐心地給我講解我所做的課題相關(guān)的注意事項(xiàng)，并給我提示了完成這個(gè)課題的思路，聽(tīng)了之后，我感覺(jué)思路很清晰，知道自己接下來(lái)要干什么，在中期考核之前不僅及時(shí)完成前期材料的整理任務(wù)，還抽出時(shí)間認(rèn)真學(xué)習(xí)了ANSYS有限元軟件，熟悉了簡(jiǎn)單入門(mén)指令，如導(dǎo)入模型，有限元建模，靜態(tài)分析等，掌握如何從計(jì)算結(jié)果圖形里提取信息的能力，當(dāng)遇到不會(huì)的地方時(shí)，我都會(huì)到學(xué)長(zhǎng)那請(qǐng)教軟件的使用方法，到了后期就已經(jīng)能夠熟練掌握ANSYS有限元軟件的基本操作，在這里非常感謝他不厭其煩地教我有限元方法，非常感謝大家對(duì)我的支持和鼓勵(lì)！ 參考文獻(xiàn) [1] 羅中華.J88型冷擠壓機(jī)拉力肘桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1997， （2）:58-60. [2] 羅中華.j88型冷擠壓機(jī)拉力肘桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件尺寸參數(shù)的確定[J]．1997，（2）:23-25. [3] 羅中華.JA 88 型臥式冷擠壓機(jī)壓力肘桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，（1）:106-110. [4] 趙長(zhǎng)樣.JA 8 7—500冷擠壓力機(jī)的研制[J].輕工機(jī)械，1994,（3）:40-42. [5] 陳曼龍.擺式剪板機(jī)刀架設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素[J].2008，33（1）：117-118. [6] 柏甫榮，高建和.半閉式壓力機(jī)機(jī)身的有限元分析與優(yōu)化[J] .制造業(yè)信息化， 2010，（11）：90-91. [7] 顧祥軍.基于ANSYS的剪板機(jī)機(jī)架有限元分析[J].礦冶技術(shù)，2010，10（2）：476-478. [8] 劉營(yíng)營(yíng).基于ANSYS液壓剪板機(jī)刀架有限元分析[J].設(shè)計(jì)與研究，2009，（6）：35-39. [9] 王曉強(qiáng).冷擠壓設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展[J].鍛壓裝備與制作技術(shù)，2007，（3）：28-30. [10] 李健.三角擺桿肘桿式冷擠壓機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].重型機(jī)械，1998，（2）37-39. [11] 陳琪.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身有限元分析與優(yōu)化[J].科技信息，2010，（27）：44-45. [12] 陳琪.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011，（4）：20-23. [13] 史榮.斜刃剪板機(jī)剪切能力測(cè)定與機(jī)架有限元分析[J].2001，（126）：9-11. [14] 李塹.閘式剪板機(jī)刀架剛性的有限元分析[J].EQUIPMENT裝備，2011，（6）：33-36. [15] 武銳.折彎?rùn)C(jī)機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)研究[J].機(jī)械制造與研究，2011，（6）：62-64. [16] 高建和.折彎?rùn)C(jī)壓力不均勻分布研究[J].2011，（6）：44-47. [17] 尚曉江等. ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用.中國(guó)水利水電出版社.2006.1