中文摘要
近年来制造业成为国家大力支持和发展的行业，机床工业是制造业的基础与关键。然而，有限元分析技术的应用，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。本文以闭式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，进行有限元静态、模态分析，并根据分析结果进行机身结构改进设计研究。本文对闭式压力机机身结构进行受力分析，采用均布载荷的方法对机身进行加载，将地脚螺栓加以全约束，然后进行计算处理，对机身的变形大小和应力分布进行分析，从而定量确定机身的薄弱环节，并用有限元方法计算了机身的角变形。由于各项参数都有富余，所以根据分析结果，提出三种改进方案以减少机身材料。
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，为结构的设计和改进提供了理论依据。最后对论文的研究内容进行了总结和展望。
关键词：闭式压力机，有限元，静态分析，改进设计，模态分析
Abstract
In recent years, our country has been fully supporting and developing the manufacturing industry, whose foundation and key lies in the machine tool industry. However, the application of finite element analysis is significant in shortening the period of production development, increasing the quality of production, reducing the cost of manufacture and improving the enterprise competitive ability.Static and modal this present dissertation using finite element analysis software ANSYS, and some improvement designs of press frame structure have been recommended based on the results of analysis. This paper analyses the stress put on the frame of closed press, loading on the frame of closed press using uniform load, keeping the anchor bolts to all DOF and then calculating the result.The weakness of the frame is found by analyzing the distribution of stress and deformation. Angular deformation is calculated by FEM. Because all parameters meet the requirements, this paper puts forward three other methods to save material.
Modal analysis using ANSYS Workbench is to resolve its inherent frequency and corresponding mode shapes. It can help to understand the modal characteristics and dynamic characteristics of the structure. It also provides a theoretical basis and foundation foe design and improvement of the structure. Finally the paper's research contents are summarized and discussed.
Key words:closed press, finite element method, static analysis, improvement designs, modal analysis
目录
中文摘要................................................................................................................ I I Abstract ................................................................................................................. I II 第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2压力机的国内外发展状况 (1)
1.3课题研究背景和来源 (2)
1.4课题研究内容 (2)
第二章研究方法及研究工具介绍 (4)
2.1 有限元法 (4)
2.1.1 有限元研究方法 (4)
2.1.2 有限元的基本思想 (4)
2.1.3有限元的优点 (5)
2.1.4 有限元应用的种类 (5)
2.1.5有限元软件的分析步骤 (6)
2.2三维实体建模软件Solidworks简介 (6)
2.3 ANSYS模态功能介绍 (6)
2.4有限元分析软件ANSYS Workbench简介 (7)
第三章压力机机身的静态分析 (8)
3.1 机身简介 (8)
3.2机身有限元分析 (9)
3.2.1制定方案 (9)
3.3有限元模型的建立 (9)
3.3.1单元类型的选择 (10)
3.3.2单元网格的划分 (10)
3.3.3边界条件的施加 (11)
3.3.4 边界约束条件 (11)
3.3.5材料特性的施加 (12)
3.4 计算结果分析 (12)
3.4.1机身的应力应变要求 (12)
3.4.2 应力图形显示 (13)
3.4.3整体变形图 (14)
3.4.4局部变形图 (17)
3.4.5 X，Y，Z方向最大变形量的对比 (18)
3.4.6机身角变形与角刚度计算 (18)
第四章机身结构的改进设计 (21)
4.1优化方案一 (21)
4.1.1 应力图显示 (21)
4.1.2整体变形图显示 (22)
4.1.3 喉口变形图显示 (24)
4.1.4 X，Y，Z方向最大变形量的对比 (26)
4.1.5角变形与角刚度 (26)
4.2优化方案二 (27)
4.2.1 应力图显示 (27)
4.2.2 整体变形图 (28)
4.2.3 喉口变形图 (29)
4.2.4 X，Y，Z方向最大变形量的对比 (31)
4.2.5 角变形与角刚度 (31)
4.3优化方案三 (32)
4.3.1应力图显示 (32)
4.3.2 整体变形图显示 (33)
4.3.3 喉口变形图显示 (34)
4.3.4 X，Y，Z方向最大变形量的对比 (36)
4.3.5 角变形与角刚度 (36)
4.4 选择最佳优化方案 (37)
第五章机身的模态分析 (38)
5.1 模态分析概念 (38)
5.2 模态分析的原理 (38)
5.3 改进机身的自由模态分析 (39)
5.4 无约束模态下的振型描述 (44)
第六章总结与展望 (51)
6.1 总结 (51)
6.2 展望 (51)
致谢 (52)
参考文献 (53)
第一章绪论
1.1引言
近年来，国家大力发展制造工业，尤其对“极大”与“极小”制造给予更多的关注和支持。制造业水平的高低决定了一个国家的科技实力。60年代，伴随震动试验技术的发展，以及频率特性分析仪和机械阻抗测试仪的问世，使结构频率响应函数测试成为可能；70年代发展起来的快速傅立叶变换技术（FFT）及有限元分析技术，实现了机械结构的理论建模和实验建模；80年代末，机械机构的动态设计得到了发展。目前机械结构动态设计研究的重点，是将作为动态分析重要手段的试验模态分析技术（EMA）和有限元分析方法（FEA）同迅速发展的计算机辅助设计技术有机结合起来，以进一步发展和完善机械结构动态设计技术。在此基础上，对机械结构进行优化设计和完善。
现代工业的高速发展，产品的功能越来越强大、结构越来越复杂，新产品的更新换代周期不断缩短，设计分析在产品的整个生命周期中占据极其重要的位置。在研发过程中，CAE软件ANSYS技术的使用，缩短了从设计到生产的周期，极大提高了产品的质量，使设计人员能在产品设计阶段分析产品的静、动态特性，模拟产品在未来工作环境的工作状态和运行行为，在设计阶段发现设计中的缺陷、并对其修改并证实未来工程、产品性能的可行性和可靠性，但是它的建模功能有待增强。
压力机由于其性价比好、作业便捷、且用途广泛而深受欢迎，市场需求量越来越大。与此同时，产品市场竞争也异常激烈。伴随着大吨位压力机的发展，压力机零部件的安全性显得尤其的重要。而有限元分析强大的数值计算功能可以轻而易举地分析解决用传统的方法无法解决的复杂结构受力情况下的问题，利用它解算复杂的计算问题能简化设计过程、加快设计进度，并且有限元模型能很好地虚拟现实工况，故分析结果准确。为此，提出了关于本课题的研究——对MT200精整压力机进行结构分析并给出优化方案。
1.2压力机的国内外发展状况
随着机电一体化和数控技术的飞速进步，伺服驱动系统在制造业中得到了广泛应用。但是与金属切削机床相比，锻压机械的伺服化、数字化的开发落后了数十年[21]。上世纪90年代，在日、欧洲等工业发达国家兴起了交流伺服机直接驱动压力机的研究和开发，这种伺服压力机与传统机械压力机相比，具有结构简单、生产效率高、产品质量好、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点。这类压力机在日本进入普及期，随着其在汽车零
件、电子零件等高精度、难成行加工领域中的应用和其优良的节能性么，已经显示了其他压力机所无可比拟的优越性，成为世界冲压技及装备发展的主要潮流之一[1]。
日本在伺服压力机的研究、生产及商品化等方面处于国际领先水平，掌握了伺服压力机的设计和制造技术。日本komstsu公司在伺服压力机的研发上目前已经出现了三代不同的产品，第一代是1998年发明的HCP3000，第二代是2001年问世的H2F、H4F，第三代是2002年H1F系列[2]。2005年日本网野公司开发出世界上最大的大型伺服压力机，目前公司根据各种生产需求，研发出了机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、液压式伺服压力机等多种类型的伺服压力机[3]。2007年德国SCHULER公司推出了2500-3600KN系列产品。2010年舒勒推出了新一代伺服驱动机械压力机。
自上世纪八十年代以来，我国的一些企业先后引进了日本小松制作所得机械压力机、德国埃尔福特公司的机械多连杆压力机、德国舒勒公司的告诉精密压力机等多种压力机产品技术，是我国冲压装备在结构、精度、技术性能方面有很大提高[24]。2007年10月济南二机床研制出我国第一台大型伺服压力机。台湾金丰企业开发了CM1型伺服压力机。2007年广州锻压机床厂和华南理工大学联合设计制造的CDKS系类肘杆伺服压力机。齐二机床近年先后引进了瑞典APT研配试冲液压机技术，与上海交通大学合作成功研制了伺服压力机技术。2008年两者又采用沉余容错技术联合开发成功了2000KN对称肘杆伺服压力机，打破了国外大型伺服电机对中国市场的垄断，发挥了巨大的经济价值。
随着我国制造业的不断发展，我国已经能生产出最大下压能力为50000KN的单动压力机和最大下压能力为20000KN的双动压力机以及最大下压能力为20000KN的多连杆单动压力机[22]。虽然近几年国内伺服压力机已经有了很大的发展，但在有些关键技术上和国外还是有很大的差距。为了提高了我国大型伺服压力机的研发水平，必须走自主创新之路，开着具有我国自主知识产权的、符合中国发展条件的大型伺服压力机研制工作。
1.3课题研究背景和来源
锻压机械是指在锻压加工中用于成形和分离的机械设备。锻压机械包括成形用的锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机，以及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助机械。锻压设备广泛应用于汽车、航空、电子、家电等工业领域。其中，作为衡量一个国家工业水平的标志之一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产业，其发展主导了锻压技术及设备的发展，锻压技术的发展和进步基本围绕汽车工业的发展而进行。激烈的市场竞争促使汽车更新换代的速度
明显加快，产品的市场寿命周期进一步缩短；与此同时，汽车变型品种日益增多，现代汽车工业生产日益呈现生产规模化、车型个性化，车型批量小、车型变化快、多车型共线生产、车身覆盖件大型化一体化的特征。传统的加工单一品种的刚性生产线显然已不适应这种特征和市场形势发展的要求，其升级换代产品具有高柔性和高效率的自动化锻压设备，成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流。
本课题来源于江苏金方圆数控机床有限公司。MT200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MT200型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。
1.4课题研究内容
要求运用有限元分析软件ANSYS对MT200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[10]。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来达到降低生产成本的目的，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压力机的设计提供了理论和现实依据。主要任务内容有：
(1)对MT200型压力机机身进行三维实体建模；
(2)了解MT200型压力机工作性质和工作状态；分析它的工作载荷，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，求出机身的应力和变形分布规律，评价载荷对压力机工作性能的影响；
(4)对机身模型进行自由模态分析，求解机身固有频率以及相应振型的等动态参数，分析其对工作状况的影响；
(5)根据分析的结果，在应力集中危险区域采取措施来改善应力状况；在低应力区域，改变相关尺寸的变量，以达到减轻部件总体质量的目的。重新进行有限元分析，检验改变尺寸后的强度和刚度。重复进行以上步骤，直到获取最佳的方案。
第二章研究方法及研究工具介绍
2.1 有限元法
2.1.1 有限元研究方法
有限元法是根据变分原理求解数学、物理学问题的一种数值方法，是当前各行业通用的重要的计算方法[23]。它是20世纪50年代末60年代初兴起的现代力学、应用数学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学的问题扩展到动力学的问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性。塑性、黏塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到土木建筑、航天、机械制造、造船、水利工程、电子技术及原子能等。由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大地拓展[4]。
有限元方法是目前解决科学和工程问题最有效的一种数值方法。有限元法具有极大地灵活性和通用性；对同一种问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算；只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度；有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便[5]。但是在求解一些特殊问题，特别是间断问题时，有限元方法存在着某些固有的缺陷。针对有限元方法的不足，1999年，美国西北大学的Belytschko研究组提出了一种用于处理间断问题的修正的有限元方法-扩展有限元法，并增加了对不连续边界的描述[6]。
2.1.2 有限元的基本思想
有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域；然后对单元( 小区域) 进行力学分析，最后再整体分析。这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路[5]。
有限元法的解题步骤：
（1）划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号。根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分的工作量比较大，除了对计算单元和节点进行编
号并确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号及相应的边界值。
（2）选定直角坐标系，按程序要求填写和输入有关信息。
（3）使用已经编好的程序进行上机计算。计算程序中对输入的各种信息进行加工、运算。
（4）对计算成果进行整理、分析，用表格或图线示出所需的位移及应力。在划分单元时，单元的大小(即网格的疏密)要根据精度要求和计算机的速度及容量来确定。单元分得越小，计算结果越精确。所以，有限元法的核心是网格剖分与边界条件的确定，然后是选用现代数学进行运算求解，最后对求解结果进行分析。对于许多具体情况，可使用一些建立起来的物理模型，从而可使问题简单化。
而真正在设计中，目前多使用CAD一类的高级辅助软件进行分析、设计，以保证设计的正确性、准确性及最优化。
2.1.3有限元的优点
（1）有限元法具有极大的通用性和灵活性。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均质材料、各向异性材料、非线性应力、应变关系及复杂边界条件等难题，而且随着其理论基础和方法的逐步改进和完善，还成功地用来求解热传导、流体力学以及电磁场领域的许多问题，现在它几乎适用于求解所有的连续介质及场问题。
（2）对同一类问题的有限元法，可以编制出通用的程序，应用计算机进行计算。
（3）只要适当加密单元的网格，就可以达到工程要求的精度。
（4）有限元法采用矩阵形式的表达，便于编程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便[9]。
2.1.4 有限元应用的种类
在实际的工程技术领域，根据分析的目的，有限元法的应用可以分为以下三种类型：
一、是进行静力分析，也就是求解不随时间变化的系统平衡问题。如线弹性系统的应力分析，也可以在静磁学、静电学、稳态热传导和多孔介质中的流体流动等的分析。
二、是模态分析和稳定性分析。它是平衡问题的推广。可以确定一些系统的特征值或临界值，如结构的稳定性分析及线弹性系统的固有特性的确定等。
三、是进行瞬时动态分析。可以求解一些随时间变化的传播问题，如弹性连续体的瞬时动态分析(或称为动力响应)，流体动力学等。