80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及点优化设计.doc
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1、 本科生毕业设计 毕业设计题目 MC80 型双主机大梁冲机身结构 有限元分析及优化设计 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 3 日 MC80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计 II中文摘要随着各种结构分析理论和优化设计理论的提出与成熟,结合迅猛发展的计算机技术,机床企业对于机床结构的设计也从传统的经验、类比、静态的设计阶段,向动态优化设计阶段迈进。利用大型有限元分析软件ANSYS,以MC80压力机机身为研究对象,对MC80压力机进行三维建模。应用ANSYS 有限元分析软件对压力机机架进行静态分析和模态分析,在压力机
2、机架满足足够的强度和刚度条件下,品缩短产品开发周期,提高产品质量,降低制造成本,增强企业竞争力。为提高压力机产品的性能、质量和寿命降低产成本提供科学计算分析的依据从而能够增强其产品在市场的竞争力。其主要内容如下:1. 对MC80型压力机机身进行三维实体建模;2. 了解MC80压力机工作性质和工作状态;对其进行工作载荷分析,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,求出机身的应力和应变分布规律,评价载荷对压力机工作性能的影响;4. 对机身模型进行约束模态分析,求解机身固有频率以及相应的振型等动态参数,分析其对工作状况的影响。;5. 根据分析结果,在应力集中危险区域采取措施改
3、善应力状况;在低应力区域,改变相关尺寸变量,以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析,检验改变尺寸后的刚度和强度。重复进行以上步骤,直到获取最佳方案。 6. 最后对论文的研究内容进行了总结和展望。关键词:压力机,有限元分析,ANSYS,优化设计AbstractWith the proposal and maturation of all kinds of structural analysis and optimum design theory, as well as the rapid development of computer technology, the design of
4、 the structure of machine tools in our countrys machine tool enterprises has also transited from the period of traditional, analog and static design to the period of dynamically optimum. Using ANSYS FEM software, body of MC80 press, three-dimensional model of is made. Application of ANSYS finite ele
5、ment analysis software for static analysis of the press frame and modal analysis, in the press frame to meet the sufficient strength and stiffness conditions,by shortening the period of production development,increasing the quality of production,reducing the cost of manufacture and improving the ent
6、s for the calculatioerprise competitive ability. To increase pressure product performance, quality, and reduce product cost life and provide scientific basin and analysis in order to enhance its product competitiveness in the market. The main contents are as follows:1. for the 3D solid modeling of M
7、C80 press frame;2. understanding of MC80 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, impact load on working performance;4. the free modal an
8、alysis on the model, solving the natural frequencies and corresponding vibration modes of dynamic parameters, and analyzes its influence on the working condition of the. ;5. according to the analysis results, the stress concentration risk areas to take measures to improve the stress condition; in th
9、e 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.6. The research content of this
10、 dissertation is summarized and prospect. Keywords: press machine ,finite element analysis ,ANSYS,optimization design中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1压力机的发展与综述11.1.1压力机的综述11.1.2我国压力机的概况21.2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段1.2.1本课题的来源21.2.2要研究和解决的问题21.3本章小结3第二章 有限单元法42.1有限元的发展与现状42.2 ANSYS软件简介82.3 有限元基本思想62.4本章小结10第三章 压
11、力机机身的静态分析113.1机身简介113.2几何模型的建立113.2.1单元的选择与划分123.3边界条件的施加133.3.1载荷的施加133.3.2边界约束条件143.4材料特性143.5计算结果分析143.5.1应力和变形要求:143.5.2应力图形显示163.5.3变形图显示163.5.4应力分析183.5.5变形分析183.6本章小结18第四章 机身结的构优化194.1优化分析194.2优化方案一:194.2.1实体模型图194.2.2应力图显示204.2.3变形图显示204.3优化方案二:224.3.1实体模型图234.3.2应力图显示234.3.3变形图显示244.4优化方案三:
12、264.4.1实体模型图264.4.2应力图显示274.4.3变形图显示274.5结果表格304.6本章小结31第五章 压力机的模态分析325.1模态分析概念325.2模态分析的作用325.3模态分析的的方法与步骤325.3.1模态分析的的方法325.3.2模态分析的的步骤345.4机身的模态分析345.5本章小结40第六章 结论与展望41致谢42参考文献43V汤跃进 MC80型双主机大梁冲机身结构有限元分析及优化设计第一章 绪论1.1压力机的发展与概况1.1.1压力机的综述装备制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术装备的制造业,是制造业的核心组成部分,是国民经济发展特别是工业发展的基础。在
13、装备制造业中,锻压制造是目前全世界应用最为广泛的制造方法之一。而在锻压机械中,机械压力机又占有很大的比重。众所周知,由于采用现代化的锻压工艺生产工件具有生产效率高,材料利用率高和改善了制件的内部组织及力学性能,质量好,能量省和成本低的优点。几十年来,机械压力机广泛应用于冲裁,落料,弯曲,折边,拉伸及其他冷冲压工序,是汽车,摩托车,家用电器,仪器仪表,轻工,国防工业,化工容器,电子等行业必备的关键设备。所以,工业先进的国家越来越多地采用锻压工艺代替传统的切削工艺和其他工艺。伴随着工业的发展,压力机的种类和数量越来越多,质量要求越来越大,能力越来越大,它在制造业和其它相关行业中的作用日趋显著1。
14、机械压力机是锻压机械中的一种,是用曲柄连杆或肘杆机构、凸轮机构、螺杆机构传动,其工作平稳、工作精度高、操作条件好、生产率高,易于实现机械化、自动化,适于在自动线上工作,在数量上居各类锻压机械之首。其中开式压力机具有开式床身,工作台在三个方向都是敞开的,装卸模具和操作都比较方便,同时为机械化和自动化创造了条件;但开式压力机因为其床身呈C形,工作时变形大,刚性较差,而床身的强度、刚度将直接影响到零件加工精度、床身导轨的磨损和模具的寿命等。因此如何优化床身结构,提高开式压力机床身的静态、动态特性,同时又能降低床身的结构重量,对于开式压力机床身设计尤为重要。另一方面,随着科学技术的发展,压力机正向大吨
15、位、高精度和高速度发展。例如,德国穆勒.万加顿公司开发的螺旋压力机最大吨位达到25000吨;一些冷精锻加工精度可0.020.05毫米;滑块行程较快的可达到30004000次/分。要保证这些大吨位、高精度和高速压力机的正常工作,首先应该在设计压力机床身时必须保证有足够的强度和刚度,同时考虑工作时的压力机的振动情况。1.1.2我国压力机的概况目前我国压力机机身的设计至今大多沿用经验、类比的传统设计方法,设计出的床身不仅性能差,结构笨重,速度、精度提不高,而且设计周期长,制造成本高,更新换代慢,这些问题使得国产压力机在高档次压力机领域内无法与国外压力机相抗衡。随着中国加入WTO,中国的机床制造企业的
16、形势将变得更加严峻,并面临更为强大的竞争对手,为此,中国的压力机制造企业必须改变原有的传统设计方法,以先进的设计制造手段作为技术支撑,来提高我国压力机的设计与制造水平,在新的市场环境中积极参与竞争。随着CAD/CAM/CAE技术的日益普及和应用,有限元方法等现代结构分析方法已为工程技术设计人员广为认识和发展,在机床设计中得到广泛的应用,并取得了显著的技术经济效益。1.2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段1.2.1本课题的来源本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。MC80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MC80型压力机进行结构分析并给出优化方案
17、。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。1.2.2要研究和解决的问题要求运用有限元分析软件ANSYS对MC80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。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以达到降低生产成本,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。这对于了解液压机现有结构的力学特性以及进而改善其结构有重要的意义,为液压机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有:(1) 对MC80型压力机机身进行
18、三维实体建模;(2) 了解MC80型压力机工作性质和工作状态;对其进行工作载荷分析,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,求出机身的应力和应变分布规律,评价载荷对压力机工作性能的影响;(4) 对机身模型进行约束模态分析,求解机身固有频率以及相应的振型等动态参数,分析其对工作状况的影响。(5) 根据分析结果,在应力集中危险区域采取措施改善应力状况;在低应力区域,改变相关尺寸变量,以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析,检验改变尺寸后的刚度和强度。重复进行以上步骤,直到获取最佳方案。1.3本章小结本章主要介绍了这一次科学研究的对象:压力机。在这一章节中,我们
19、介绍了他的国内外发展历史和现状,针对它的实用性,我们对此再次就行优化设计以求得到更好的效果。在这一章中,我们对研究目的和方法作了说明,在下面的章节中,我们会具体进行分析和改进。第二章 有限单元法2.1有限元的发展与现状有限元法作为一种数值计算方法,它的产生和发展却是首先在工程应用中取得突破。固体力学中最早采用计算机进行数值计算的是杆系结构力学 ,以杆件为单元 ,称为矩阵位移法,它为有限元理论提供了思路。有限元法基本思想的提出,可以追溯到 Courant 在1943 年的工作 ,Courant 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数 和最小位能原理来求解 St .Venant 扭转问题。开始涉
20、及有限元的概念。 1954 年,Argris JH用系统的最小势能原理得到了系统的刚度矩阵,使已经成熟的杆件矩阵位移法可以用来分析连续介质 。1955 年美国波音飞机制造公司的TurnerM.L 和Clough.R ,W ,在分析大型飞机结构时,第一次采用直接刚度法给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答,并导出了其单元刚度矩阵,发展成矩阵位移法。1960年R.W.Clough 把这种方法由航空结构工程扩展到土木工程,并正式命名为有限元法,这标志着有限元法的正式诞生。到60年代末至 70年代初,出现了大型通用有限元程序, 它们以功能强、 用户使用方便、 计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技
21、术商品,成为结构工程强有力的分析工具。目前,有限元法在现代结构力学、 热力学、 流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。进入20世纪80年代以后,有限元法在理论的指导下, 其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题,从固体力学扩展到流体力学、传热学等学科,成为应用广泛的分析工具。同时,随着计算机技术的发展和软件工程的兴起,大型商用有限元软件在更好的人机界面 、更强的分析功 能、更直观结果的显示方面取得了长足的进步,并日益和计算机辅助设计CAD软件集成 在一起 ,形成了一个新的领域CAE,给工程设计带来巨大的变革。由于有限元法特别适合于计算机程
22、序编写,因此许多国家都编制了大型通用的有限元程序,如美国加利福尼亚大学研制的SAP软件、麻省理工学院研制的ADINA 软件、美国国家航空与宇航局研制的NASTRAN 软件等。有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视, 主要表现在以下几个方面:增加产品和工程的可靠性;在产品的设计阶段发现潜在的问题;经过分析计算,采用优化设计方案 ,降低原材料成本;缩短产品投向市场的时间;模拟试验方案,减少试验次数 ,从而减少试验经费。纵观当今国际上CAE软件的发展情况,可以看出有限元分析方法的一些发展特点:()数据统一。使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果,实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统
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