机械毕业设计(论文)-J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计【全套设计】 .doc
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1、扬州大学广陵学院本科生毕业设计 毕业设计题目J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 机械81001 指 导 教 师 完 成 日 期 2014年 6 月 2 日 中文摘要有限元分析和结构优化等CAE技术的应用,对于缩短产品开发周期,提高产品质量,降低制造成本,增强企业竞争力具有重要意义。本论文以压力机机身为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具,进行有结构静态分析、结构优化设计以及模态分析。 首先,采用四面体实体单元建立机身的三维有限元模型,对压力机机身结构和受力特点进行分析,确定其载荷分布和约束,分析计算有限元
2、模型,得到机身的应力与应变分布规律。校核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,通过较传统的人工优化找出了比较合理的结构,用加厚材料来矫正变形量过大的问题,用去除受力或变形小区域的材料来减轻质量等。其次,运用ANSYS Workbench进行模态分析,分析其固有频率以及对应的振型。了解该压力机的模态特征和动态特征,为结构的动态设计和改进提供了理论依据和基础。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,优化设计,模态分析 全套完整版,加153893706AbstractThe application of finite element analysis
3、and structure optimization of CAE technology, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. The press frame as the research object, using finite element analysis software ANSYS as
4、the analysis tool, a structural static analysis and modal analysis, structure optimization design.First of all,to establish a three-dimensional finite element model of the frame using tetrahedron solid element, the press frame structure and force characteristics of the analysis, to determine the loa
5、d distribution and constraints, calculation and analysis of finite element model, to get the stress and strain distribution. Check the strength and stiffness of body parts, and the structure optimization design based on the analysis of the results, a reasonable structure has been found by artificial
6、 optimization than traditional, with thicker materials to correct excessive deformation problem, remove stress or deformation small region of the material to reduce quality etc.Secondly, the use of ANSYS Workbench analysis of modal analysis, the natural frequency and the corresponding vibration mode
7、. Understand the modal characteristics of the press and the dynamic characteristic, has provided the theory basis and the foundation for dynamic design and structure improvement.Finally, the research contents of the thesis are summarized and prospects.Keywords: Press, finite element analysis, optimi
8、zation design, modal analysis 目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 国内外压力机发展状况11.1.1国外压力机发展状况11.1.2国内压力机发展状况11.2 有限元分析方法21.2.1 有限元理论21.2.2 有限元分析软件的简介31.2.3 机身结构设计中的有限元运用41.3 课题来源及选题的目的和意义41.3.1 课题来源41.3.2 选题的目的和意义41.3.3 课题研究的内容和解决的问题5第二章 压力机机身的静态分析72.1 机身简介72.2.1 单元类型的选择82.2.2 网络的划分92.2.3 边界条件的施加102.2.4 材料特性1
9、12.3 计算结果分析112.3.1 应力和变形要求112.3.2 应力和变形图形显示122.3.3 应力分析152.3.4 变形分析152.4 本章小结15第三章 机身结构的改进163.1 优化分析163.2 优化方案一163.3 优化方案二183.4 优化方案三203.5 优化方案四223.6 选择最佳方案243.7 本章小结25第四章 机身的模态分析264.1 模态分析概述264.1.1 模态分析理论基础264.1.2 模态分析原理264.2 对机身进行模态分析274.2.1 自由模态分析274.2.2 自由模态描述314.2.3 约束模态分析314.2.4 约束模态描述354.3 本章
10、小结36第五章 结论和展望375.1 结论375.2 展望37致谢39参考文献40V陈建平 J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计第一章 绪论1.1 国内外压力机发展状况机械行业是国民产业中极其重要的基础行业1。随着我国国民经济的快速发展,各行各业对压力机需求也越来越多,国内国际市场竞争非常激烈。随着现代科学技术的快速发展,机械行业正从以机器为特征的传统技术时代向着高速化、高精化和柔性化的信息时代发展,即利用当代高科技信息来装备传统的机械行业2。我们运用有限元分析技术对高速压力机进行结构分析并给出优化方案。来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,
11、增强其产品在市场的竞争力。1.1.1国外压力机发展状况高速压力机的发展将近有100年的历史。1900 年德国的舒勒(SCHULER)压力机公司发明生产出世界第一台自动化压力机3。美国亨利特公司在 1910 年首创四柱底传动结构的高速压力机,当时称为 dieing machine4。在 1955 年以前该机为高速压力机的代表机型。以后随着电机和电器工业的发展,各国纷纷研制高速压力机。1953 年德国舒勒公司生产出 1250kN 闭式双点压力机,行程 20mm,行程次数达到 150rpm5。后来美国明斯特(MINSTER)公司推出的 Pulsar 系列超高速压力机以及日本会田公司引进瑞士布鲁德勒公
12、司技术生产AIDA-BRUDERER系列 BSTA 型高速压力机和 PDAL 系列高速压力机也均采用了上传动方式,不但提高了动态精度,也在一定程度上减少了噪声6-7。随着科学的发展,技术的革新,压力机的品种越来越多,质量越来越好,压力越来越大,精度也越来越高。目前世界上能够生产出一流压力机的主要国家都是传统的制造强国,其中以日本、美国和德国为主。现在和日本、德国并称为世界三大高速压力机生产基地58。世界上已经能够设计生产出最大压下能力为60000KN 的单动压力机、最大压下能力为 32000KN 的双刀压力机以及最大压下能力为85000KN 的多工位压力机9。1.1.2国内压力机发展状况国内高
13、速压力机是上世纪 80 年代开始从国外引进技术而发展起来的。目前,生产高速压力机的主要厂家有上海第二锻压机床厂、厦门锻压机床有限公司、诸城锻压机床股份有限公司、宁波机床厂和江苏扬力集团等。我国第一台高速压力机是在 1982 年由济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂共同研制的。该压力机公称力为 600KN,最高的速度可达到 400 次/min。随后又成功研制了公称力 300KN,最高速度 600 次/min 的高速精密压力机。跨入 21 世纪后,国内企业中徐州锻压机床厂的高速冲床生产开始形成规模,先后研制成功了 JF75G 系列闭式高速压力机和 V H45 开式高速精密冲床,其冲压速度分别达到 6
14、00 次/min 和 1200 次/min10。目前,由于国内材料技术和机械加工技术与国外先进技术存在差距,国内高速压力机的发展也受到了相应的制约。其中差距主要表现在高速压力机的可靠性和加工精度上,在高精度的加工领域内缺乏竞争力;国内的自动控制与补偿技术还未较好的应用于高速压力机中,使国内产品精度相对先进技术较低;由于国内高速压力机产品主要通过引进技术生产和自我研发较少,故而国内压力机品种和规格较为单一11-13。1.2 有限元分析方法1.2.1有限元理论有限元的的核心思想是结构的离散化,就是将实际结构假象的离散为有限数目的规则单元组合体。实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析,得出满足工
15、程进度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。有限元的创立与科学的发展和工业界需求相关。1953 年,Ray W.Clough 在波音公司分析三角形机翼振动时,将机翼分成很多片小三角形板,计算的机翼结构挠度与小比例模型试验数据吻合是有限元的雏形。1955 年,John H. Argyris 提出矩形单元。1956 年,第一篇有限元文章发表,正式拉开了有限元发展的历史14。自从 1965 年“有限元”这个名词第一次出现,到今天有限元方法在工程上得到广泛应用,已经经历了四十年的发展历史,理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和
16、计算速度的不断提高,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,已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径,现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算,其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。主要表现如下几方面: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15-17。1.2.2 有限元分析软件的简介 ANSYS是目前国际上著名的有
17、限元软件之一,该软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体。ANSYS广泛应用于机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学研究等众多领域。 ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件,其技术特点主要表现在以下几个方面: 1)数据统一。ANSYS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一。 2)强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力,仅靠ANSYA的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型。 3)强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器,用户可根据分析要求选择合适的求解器。 4)强大的非线性
18、功能。ANSYS可以进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 5)智能网格划分。ANSYS可根据模型的特点自动生成有限元网格。 6)良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能,用户可以确定最优设计方案:利用ANSYS的拓扑优化功能,用户可以对模型进行外型优化,寻求物体对材料的最佳利用。 7)可实现多场藕合功能。ANSYS可以研究各物理场间的相互影响。 8)提供与其他程序接口。ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序,可实现数据共享和交换。 9)良好的用户开发环境。ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL、UIDL和UPFS对其进行二次开发。 结构分析是ANSYS功能
19、之一,其中包括:静力分析(用于分析结构的静态行为,可以考虑结构的线性及非线性特性);模态分析(计算线性结构的自振频率及振型);谱分析(是模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变);协响应分析(确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应);瞬态动力学分析(确定结构对随时间任意变化的载荷的响应,可以考虑与静力分析相同的结构非线性特性);特征屈曲分析(用于计算线性屈曲荷载,并确定屈曲模态形状);专项分析(断裂分析,复合材料分析,疲劳分析)等。1.2.3 机身结构设计中的有限元运用优化设计越来越多地应用于产品设计中。通过优化设计,能够使零部件的的力学性能得到改善,并获得理想的结构布
20、局和尺寸大小。结构优化是指在预定目标和一组给定几何和行为约束的范围内,寻求满足条件的最优解。机械结构应用优化设计方法一般可节省材料7%40%,因此优化设计技术越来越受到人们的重视。机身是机床中结构和受力比较复杂的部件,机身有限元分析的目的在于提高其承受能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外,就整个机构而言,当机身重量减轻后,整个机床重量也随之降低,从而改善整个机床的动力性和经济性等性能。安全、节能和环保是机床面临的三大热点问题,如何提高整个机床的加工精度是机床稳定性中需要解决的问题之一。利用有限元法进行机床加工过程的模拟计算,涉及到大变形等非线性问题,不同于一般的有限元分析。由于模拟
21、计算可以节省昂贵的实体实验经费,且在设计阶段模拟分析是唯一的分析手段,国内、外机床公司普遍采用这一方法。1.3 课题来源及选题的目的和意义1.3.1 课题来源本课题来源于江苏扬力集团有限公司。J75G-200闭式高速压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品。运用有限元分析技术对J75G-200闭式高速压力机进行结构分析并给出优化方案。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。1.3.2 选题的目的和意义近年来,由于我国国民经济的飞速发展,各行各业对压力机特别是新型压力机的需求越来越多,国内国际市场竞争非常激烈。世界许多
22、压力机生产厂家都把精力集中在开发高速度、高精度的压力机上。我国目前对压力机机身的设计长期以来还沿用经验、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。随着电子技术、计算机技术与机床分析技术的结合,要求我们引入现代设计理念与手段,利用有限元法进行静态、动态特征的计算,对新型压力机机身作全面的分析优化。同时,对压力机的优化方法进行探索,实现真正意义上的设计。1.3.3 课题研究的内容和解决的问题1)主要内容要求运用有限元分析软件ANSYS对J75G-200闭式高速压力
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