锻造操作机结构系统的动力有限元建模方法研究

有限元数值模拟在锻造中的应用有限元数值模拟技术在金属塑性成形工艺中的应用田菁菁（河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003）摘要：金属塑性成形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，有限元法是用于金属成形过程模拟中一种有效的数值计算方法。

本文详细介绍了弹塑性、刚塑性、粘塑性3种有限元法，系统地讨论了有限元模拟中的关键技术，即几何模型的建立、单元类型的选择、网格的划分与重划分、接触和摩擦问题等技术，并结合实例说明了三维有限元模拟在金属塑性成形领域中的具体应用。

最后，基于现存问题提出了自己的见解。

关键词：计算机应用；有限元法；综述；塑性加工1引言金属塑性成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，影响因素众多，如模具形状、毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等，该过程涉及到几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。

金属塑性成形工艺传统的研究方法主要采用“经验法”，这种基于经验的设计方法往往经历反复修正的过程，从而造成了大量的人力、物力及时间浪费。

21世纪的塑性加工产品向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。

塑性精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少或免除切削加工、降低成本、节省原材料、降低能耗，当前的生产的发展，除了要求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状地成形问题，同时还要不断提高锻件地质量、减少原料的消耗、提高模具寿命，促使降低锻件成本、提高产品的竞争能力。

2有限元模拟在塑性成形领域的应用用于金属塑性成形过程数值模拟的有限元法根据本构方程的不同可以分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元法，其中，刚塑性有限元法和弹塑性有限元法的应用比粘塑性有限元法更广泛。

2．1刚塑性有限元法刚塑性有限元法是1973年由小林史郎和C．H．李提出的。

由于金属塑性成形过程中大多数塑性变形量很大，相对来说弹性变形量很小，可以忽略，因此简化了有限元列式和计算过程。

刚塑性有限元法的理论基础是MarkOV变分原理，其表述是在所有满足运动学允许的速度场中，真实解使得以下泛函取极值：式中：为等效应力；为等效应变速率；为力面上给定的面力；为速度已知面上给定的速度；V为变形体的体积；S为表面积。

对锻造操作机的机构运动分析锻造操作机是锻造车间的重要设备，对其进行运动学分析更是实现操作机运动控制的基础。

合理的使用锻造操作机，不仅可以提高产品的质量，更能提高产品的经济效益。

文章将对锻造机的各部分机构加以分析，并且对锻造操作机进行仿真计算，找到误差最小的仿真结果，得到提升机构的最优设计参数。

标签：锻造操作机；运动；分析锻造操作机用于夹持锻件配合压机完成锻造工艺动作，不仅是锻造车间实现锻造机械化与自动化的重要设备，也是辅助锻造液压机组的重要设备。

近几年来，国内外大量使用锻造机来提升车间的劳动生产率，减少人工劳动量，并提高产品的质量。

锻造操作机对锻件锻造质量和机组设备生产效率的提高起着至关重要的作用。

1 运动分析之运动部件锻造操作机的主要动作基本都是由钳杆和钳子完成的，钳杆移动的动力由动力油缸提供，操作机承受的最大载荷是在锻造过程中发生的。

锻件从塑性变形起被压在锻造主机的砧子间，变形时其中心线在垂直平面有位移，引起操作机钳头在垂直平面的移动，钳杆架的前悬挂被拉长，使钳杆绕后铰转动，钳杆的位移迫使锻件从钳口向外串动，钳口必有与钳杆转动相应的一张开量，当钳口张开时，若拉紧机构为机械传动或气动，拉杆或气缸气体将被压缩若拉紧机构为液压传动，油缸内油液将溢入高压管，此段称作塑性变形期。

变形结束的瞬时，锻件中心线的移动速度降低，使转动着的钳杆有惯性作用，钳杆将相对于锻件中心线继续下移，最大惯性力在锻造主机上砧突然回程时出现。

惯性运动中，系统中拥有的动能大部分用来克服拉紧机构的制动作用，另一部分转化为前缓冲器的势能，此段称为动荷后效期。

在动荷后效期内，其全部载荷都由钳头杠杆承受，即锻造主机使钳口承受最大的动载荷。

回转支承的内外圈分别与台架底板、小车底板用螺栓联接外圈及齿圈。

油马达与减速器直联减速器与台架底板用螺栓联接减速器输出轴外伸端上的小齿轮与回转支承的外齿券啮合。

当油马达转动时减速器输出轴外伸端上的小齿轮则一边自转一边环绕回转支承的外齿圈公转台架便作旋转运动。

机械结构动力学分析与有限元模拟在机械工程领域，机械结构动力学分析与有限元模拟是非常重要的研究内容。

机械结构动力学分析是研究机械结构在运动过程中的力学行为和变形特性，而有限元模拟则是利用计算机方法对机械结构进行数值模拟和分析。

机械结构动力学分析主要研究机械结构在受到外力作用下的动力响应，包括机械结构的振动、变形和应力分布等。

在实际工程中，机械结构的动力响应对于结构的稳定性和寿命有着很大的影响。

通过动力学分析，可以评估机械结构的工作性能和安全性能，为机械设计提供理论依据。

有限元模拟是一种基于离散数值方法的计算方法，能够通过将连续问题离散为有限个子问题，然后对每个子问题进行离散和求解，从而得到整个问题的数值解。

在机械结构动力学分析中，有限元模拟可以对机械结构的动态响应进行数值计算和仿真。

通过建立机械结构的有限元模型，可以对结构的振动特性、应力分布和变形情况进行快速准确的分析。

有限元模拟的基本思想是将机械结构离散为有限个单元，然后根据物体的几何形状、材料性质和边界条件建立单元的刚度矩阵和质量矩阵。

通过求解整个机械结构的刚度方程和质量方程，可以得到机械结构的振动模态和响应。

有限元模拟可以帮助工程师更好地理解机械结构的动力学特性，为设计优化和结构改进提供依据。

在实际工程中，机械结构动力学分析与有限元模拟可以应用于很多领域。

例如，汽车工程师可以通过动力学分析和有限元模拟来研究汽车悬挂系统的振动特性，优化悬挂系统的设计，提高汽车的行驶稳定性和乘坐舒适性。

航空航天工程师可以利用动力学分析和有限元模拟来研究飞机机翼的动力响应，通过结构改进来提高飞机的飞行性能和安全性能。

除了应用于工程设计之外，机械结构动力学分析与有限元模拟还可以用于解决机械结构故障和失效的问题。

例如，一些机械结构在长期使用过程中可能会出现裂纹和疲劳损伤，这对结构的安全性和可靠性会造成很大的威胁。

通过动力学分析和有限元模拟，工程师可以预测结构的疲劳寿命和失效模式，为结构的检修和维护提供参考。

机械工程中的结构有限元优化分析方法机械工程是应用物理、工程数学、材料科学等多个学科知识，研制和应用各式各样机械设备和工艺流程的学科。

机械工程中的结构有限元优化分析方法，可以更加准确地预测机械结构的性能和行为，优化设计，提高机械设备的稳定性和可靠性。

一、有限元分析有限元分析是一种计算数值方法，适用于处理各个行业领域中涉及大量数值计算的问题。

结构有限元优化分析方法，是在有限元分析的基础上，优化机械结构的设计方案，使机械结构更加优良，更加适用于实际生产工作。

在结构有限元模型中，结构被离散成一系列互不相交的有限单元，每个单元被假设为连续媒体内的一个部分。

这些单元与周围单元共同组成一个连续体模型，通过节点等方法与周围单元进行约束。

二、结构有限元优化分析方法的原理结构有限元优化分析方法的原理主要依据于模型精确性分析，设计优化，计算速度等方面，其主要有以下优势：1. 减小计算时间结构有限元优化分析方法可以通过减小材料的量，精简结构的外形，优化结构设计方案，从而提升计算速度和计算效率，并保证计算结果的准确度。

2. 预测结构性能结构有限元优化分析方法可用于预测机械结构的性能，比如机械系统的振动、变形、应力等数据。

可以通过数据预测，对结构进行调整和优化，从而提升结构的性能和使用寿命。

3. 通过负载实验优化设计方案结构有限元优化分析方法可以通过负载实验，测量机械系统的负载，同时结合先前的结构模型，对不同材料、不同外形的结构进行比较和分析，从而确定最佳的设计方案。

三、结构有限元优化分析方法的应用结构有限元优化分析方法在制造业中应用广泛，涵盖了多个方面：1. 机器设备和机器零件的设计和优化。

2. 车辆结构的设计优化。

3. 工程建筑物和建筑构件的设计和优化。

4. 航空航天技术的设计与优化。

5. 能源工程、石油工程等。

通过结构有限元优化分析方法，可以预测和改善设计方案，避免潜在的问题和缺陷，同时提高设备的稳定性、安全性和可靠性。

基金项目国家自然科学基金资助项目()作者简介任云鹏(),男,高级工程师,博士生2y 3@6锻造操作机的可视化刚体动力学仿真任云鹏1,2,张天侠1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳　110004;2.北方重工沈重集团有限责任公司研究院,辽宁沈阳　110025)摘要:在分析锻造操作机工作原理的基础上,采用ADAMS 软件平台,建立锻造操作机的可视化三维数字化模型.考虑锻造操作机自重和外负载影响,对操作机各个部件施加相应的约束和载荷,然后进行多刚体系统的动力学三维可视化仿真,得到了典型工况运动过程中操作机受力的变化情况,并对极限载荷情况进行分析.仿真结果为锻造操作机的零部件合理设计提供了参考依据.关键词:锻造操作机;可视化方法;动力学仿真中图分类号:TP391.9;TB122 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2008)02-0127-06Rigid 2dynamics 2basedvisualizedsimulationonforgingmani pulators REN Y un 2pen g1,2,ZHANG Tian 2xia 1(1.SchoolofMechanicalEngineeri ngandAutomat ion,NortheasternUniversit y,Shen yang,China;2.Res earchandDesi gnInstitute,NorthernHear yIndus t riesShen yangHeav yMachi ner yGrou pCo.Ltd,Shenyang,China )Abstract :Basedontheworking principlesoffor gingmani pulators,a3Dvisualizeddi gitalmodelisdevelo pedusingMSC.ADAMS TM platform.Pertainin gtotheinherent gravit yandim pactin gloadofmani pulators,rele 2vantconstraintsandloadsarea ppliedforcom ponentsoffor gingmani pulators.Afterwards,a3Dvisualizedsim 2ulationisconductedu ponamulti ple 2rigid 2bodys ystem.Then,themotionalforces,to getherwithboundary loads,aredetectedandanal yzedintermsoft ypicalconditions.Asaconse quence,thesimulationresultshave providedcriticals pecificationsforembodimentdesignoffor gingmani pulators.Keywords :for gingmani pulator;visualizedtechni que;d ynamicssimulation 锻造操作机是万吨水压锻造机的主要配套设备,与加工设备协调作业,可以大大提高制造能力、制造精度、生产效率和材料利用率,并降低能耗.目前世界上著名的生产锻造操作机的公司主要有德国的SMS 公司,DDS 公司,捷克的ZDAS 公司等[1].我国在大型锻造操作机装备方面相对薄弱,影响了大型复杂构件的制造能力.由于国内外市场的巨大需求,锻造操作机研究也不断发展,对掌握核心技术,提高特大型自由锻件的制造技术水平与制造能力起着关键性的作用[2].由于大型锻造操作机通常无法在物理样机的基础上进行实验并对其操作性能进行分析和验证,这就要求运用高效、高保真的可视化虚拟样机技术为锻压操作机的设计、性能评估与优化提供支持[3].机器设备具有良好的动力学特性是其可靠工作最有效的保证,动力学可视化就是用可视化的方法研究所设计的机械产品动态特性,使产品在未制造出前就能保证具有良好的性能和相应的工作寿命要求.建立可视化三维模型,在产品实际制造之前对产品的性能、行为、功能进行分析和评估,从而对设计方案进行检验与优化,达到产品制造的最优目标[4].目前国际上有一些较成熟的动力学仿真软件,如MSC.ADAMS 软件,在第6卷第2期2008年6月中　国　工　程　机　械　学　报CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERY Vol.6No.2　Jun.2008:10402008:1974-.E mail:ren unpen 机械系统动力学仿真分析方面得到广泛的应用[5].为保证锻造操作机安全可靠的工作,在设计的过程中必须考虑该操作机的动态性能.本文采用可视优化设计方法对锻造操作机动态性能进行了仿真分析,主要研究包括操作机整机系统动力学理论分析、操作机整机三维可视化模型的创建、刚体运动仿真以及仿真结果的分析与评价等.本文在确定锻造操作机的基本结构形式后[6],对机构方案进行详细的动态仿真和论证,计算不同工况时操作机机构在刚体运动过程中主要构件的受力状况,以此作为零部件结构强度设计的基础.1　基于可视化方法的动力学分析的基本思想动力学可视化的研究目标就是通过仿真确定机械载荷分布情况、机械产品的主要动态特性及仿真在给定激励下的响应情况,从而可使产品在设计阶段就能保证拥有优异的结构性能.动力学可视化仿真重点研究以下3方面内容:图1　动力学可视化仿真技术流程F i g.1　Visualizationdynam icssimulation technolo gyflow(1)通过可视化仿真,确定载荷分布情况及进行强度验证.在强度计算上,传统设计只考虑静态特性而忽略动态特性或乘以相应系数加以修正,这种设计方式导致设计出的产品结构可靠性不高.实际上,锻造操作机在工作中一直受到动载荷的作用,所以进行强度计算时必须考虑动态性能.动力学可视化是在充分考虑了各种动载荷而进行仿真研究的.进行动力学可视化仿真,要加入各种动态特性,通过仿真可非常直观地了解在工作过程或其他特殊情况下,载荷的分布情况,从而可确定结构的薄弱环节,进行强度校核.(2)通过动力学可视化仿真确定锻造操作机零部件的固有动态特性.机械产品的固有频率及振型等特性对整个结构的动态特性有着显著的影响,因此获得所设计产品的固有动态特性对于优化产品的结构性能有着重要的意义.通过动力学可视化仿真可获得结构的各阶模态参数及振型图,尤其对于结构复杂的动力学系统,动力学可视化仿真与数值计算相比有着绝对的技术优势.(3)仿真确定在给定激励下的响应情况.在锻造操作机未被制造出前,获知所设计的产品在给定激励下的响应情况也是非常有意义的.通过可视化仿真可在人为设定激励的形式、频率及幅度的情况下,检验响应是否在规定的范围内,或响应是否达到要求,这直接决定了机械产品的使用性能.动力学可视化仿真可按图1所示的流程进行.2　锻造操作机的三维可视化模型建立锻造操作机的主要运动包括钳杆上下倾斜、上下平移、左右倾斜、左右平移,以及钳杆旋转、钳口开闭、大车行走等[7～9].这里以钳杆上下倾斜、上下平移2种运动工况为例进行说明,实现上下倾斜、上下平移运动的平行连杆式操作机机构简图如图2.如图2所示,构件①(即AB )为上升平移液压缸,当AB 伸长时,能间接地推动钳杆⑧平稳上升;构件②(即BD G )为前推臂,其一外伸出端铰接在机架上;构件③(即D F )为吊杆,由部分组成,上吊杆悬挂在前推臂上,下吊杆用来悬吊钳杆;构件④(即M )为缓冲缸,当钳杆向上平移时,缓冲缸起缓冲作用,使钳口能竖直上升;构件⑤(即I N )为后推臂,其外部伸出端铰接在机架上;构件⑥(即G )为连杆,连821 中　国　工　程　机　械　学　报第6卷　C E 2E H H接前推臂和后推臂;构件⑦(即NK )为上下摆动液压缸,能实现钳杆的上下摆动.由Solidworks 建立的三维实体零部件模型,采用Parasolid 标准文件,在ADAMS 中导入整个样机装配体模型.模型导入ADAMS 后,利用添加到地基形体的标记点,准确而快捷地建立活动框模型,形成虚拟样机的装配体模型,如图3所示.图2　平行连杆式锻造操作机机构简图Fig.2　Par allel 2linkm echanismofafor gingma ni pulator 图3　锻造操作机虚拟样机模型F i g.3　Vir tua l pr ototypem odelofa for gingm ani pulator 根据基本工况添加运动约束如下:5个液压缸缸体和活塞之间添加5个移动副,其中2个液压缸与地之间添加2个转动副,前后推臂与地之间添加4个转动副,前后推臂与2个连杆之间添加4个转动副,前推臂与2个液压缸之间添加2个转动副,前推臂与地之间对中杆之间添加1个转动副,对中杆与吊杆之间添加2个转动副,吊杆与横向的2个液压缸的活塞之间添加2个转动副,吊杆与钳头之间添加2个转动副,钳头与上下摆动的液压缸的活塞之间添加1个转动副,上下摆动的液压缸的缸体与后推臂之间添加1个转动副,横向的2个液压缸的缸体和后支臂之间添加2个转动副,后支臂与地之间添加1个转动副,在上下摆动的液压缸和与地铰接的2个液压缸均添加驱动.共计24个转动副、5个移动副和3个驱动.根据锻造操作机工作载荷设计要求,负载是1600kN,位于距钳口正中心外延100mm 处,方向竖直向下.机构运动的惯性力和重力由ADAMS/Solve 求解器自动计算.3　锻压操作机的刚体动态特性分析3.1　上下平移运动的动力学仿真锻造操作机的上下平移运动是通过双缸(图2中AB 以及其对称的缸)驱动来实现的.其中缓冲缸和上下摆动液压缸无相对伸缩变化.仿真时间设为10s,钳口处受载为1600kN,仿真初始及结束状态如图4所示.图4　上下平移运动仿真的初始和结束状态F i g.4　Pr eliminarysta teandter minativestateofsimulationsofforging(22)921　第2期任云鹏,等:锻造操作机的可视化刚体动力学仿真 man ip ulator mov eu p a nd d ow n 图2中A 点和B 点所受的支反力如图5所示,液压缸的两端AB 所受的支反力大小相等、方向相反.0～4.5s 内,x 方向的支反力随时间增加而逐渐增大,y ,z 方向的支反力随时间增加逐渐减小;4.5～6.0s 时间内,x ,y 方向的支反力基本保持不变,z 方向的支反力随时间增加继续减小;6.0～10.0s 时间内,x ,y 方向的支反力随时间有着小幅的振荡并呈上升趋势,z 方向的支反力随时间有着小幅的振荡,并呈下降趋势.图5　A 点和B 点在x ,y,z 方向上所受的支反力F i g.5　Suppor trea ctionondir ection x ,y ,z of point A and B 在同样的仿真状态下,图2中P 点y 方向上受到的载荷是1600kN,保持不变.P 点处x ,z 方向上的速度、加速度及受力近似为零,y 方向位移、速度和加速度如图6所示.可以看出,y 方向上升平移位移达到2506.7mm,0～4.5s 时间内,y 方向的速度随时间增加逐渐增大,加速度随时间在接近零附近有一个微小的波动,变化范围在0.025m s -2以内.4.5～6.0s 时间内,y 方向上的速度基本保持不变,加速度随时间在零附近有一个微小的波动,变化范围在0.025m s -2以内;6.0～10.0s 时间内,y 方向的速度随时间有着小幅的抖动,并呈上升趋势,加速度随时间在零附近有着较前面明显的变化,变化范围在0.15ms -2以内.图6　P 点y 方向上位移、速度和加速度时间历程Fig.6　Displacement,velocitya nda cceler ationondir ection y of point P3.2　上下摆动运动的动力学仿真锻造操作机的上下摆动运动是通过上下摆动液压缸(图2中NK )驱动来实现的.其中缓冲缸和上下平移液压缸无相对伸缩变化.仿真时间设为40s,钳口处受载荷为1600kN,仿真初始及结束状态如图7所示.N 点和K 点所受的支反力如图8所示.从图中可以看出,液压缸两端NK 所受的支反力大小相等、方向相反.如图8a,b,c 所示,0～30s 时间内,x ,y ,x 方向的支反力随时间先减小到最小值(10s 附近),然后再增加到最大值(30s 附近);30～40s 时间内,x ,y ,x 方向的支反力随时间逐渐增大,增加到仿真初始时的值上下平移液压缸和其他关节点处的位移、速度和角加速度都为零其中,G ,M 和D 点的z 方向有一定的支反力,对杆件有细微的影响(这里并没有给出其余点的运动参数和支反力图)031 中　国　工　程　机　械　学　报第6卷　..H .图7　钳口上下摆动的初始和结束状态Fig.7　Pr eliminarystateandter mina tivesta teofsimula tionsoffor gingma ni pula tor (swin gu p 2a nd 2down)图8　N 点和K 点在x ,y ,x 方向上所受的支反力F i g.8　Suppor tr ea ctionondir ection x,y,x of point N and K3.3　钳口在冲击载荷作用下的动响应锻造操作机在工作的过程中,一般都会受到突然的载荷冲击.以上下摆动运动为例,分析当钳口突然受到1600kN 载荷冲击时,钳口(P 点)的加速度和支反力的变化情况.仿真时间设为40s,P 点在第10s 时突加1600kN 阶跃载荷,仿真结果如图9所示.0～10s 时间内,P 点各方向的支反力较小,加速度平稳.在第10s 时,x ,y 方向的支反力同时增大,一直增大到第30s,此时达到各自的最大值;30～40s 时间内,x ,y 方向的支反力逐渐减小,直至减小到第10s 时的值.在第10s 和第30s 时y 方向加速度产生突变,这是由于摆动的方向突然变化造成的.在其余的时间段内,加速度围绕零线出现微小的波动.4　结论(1)利用Solidworks 建立了锻造操作机整机系统三维实体模型,并将其导入ADAMS 系统,根据实际使用工况施加约束和载荷,建立了锻造操作机在ADAMS 环境中的三维可视化动力学仿真模型.(2)参考在ADAMS 运动学仿真中获得的参数,通过添加载荷和不同的液压缸驱动,对锻造操作机整机系统的虚拟样机模型进行刚体动态性能的仿真分析,得到了锻造操作机的几种不同工况的动态性能仿真结果(3)通过分析操作机的上下平移运动和上下摆动运动种运动的动力学特性,得到种运动情况下131　第2期任云鹏,等:锻造操作机的可视化刚体动力学仿真 .22液压缸2端所受力的最小值和最大值,以及钳口P 点的加速度和支反力的变化情况.另外,还得到了进行锻件操作及受到冲击载荷时,钳口P 点的加速度和支反力的突变情况.通过可视化的刚体动力学仿真,得到了直接指导锻造操作机的设计参考.在上述动力学仿真的基础上,可以进一步进行结构的详细设计,并为动态优化设计奠定基础.图9　P 点在冲击载荷作用下加速度和支反力的响应曲线Fig.9　Acceler ationandsu ppor tr eactiononeffectwithim pactloadof point P参考文献:[1]　王凤喜.大锻件生产行业与锻造技术发展[J].锻压机械,2002(04):3-6.WANGFen gxi.Develo pmentoffor gingh ydraulic pressandfor gi ngmani pulator[J].MetalformMachinery,2002(04):3-6.[2]　蔡墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程[J].大型铸锻件,2007(01):37-44.CANYon g.Thedevelo pmentalcourseofourfree2forgingh ydraulic pressandtheheav ycastin gandfor ging production[J].Heav yCastin gsandForgings,2007(01):37-44.[3]　LILLYKW,MELLIGER IAS.D ynamicsimulationandneuralnetworkcom pl iancecontrolofanint elli gentfor gingcenter[J].JofInt elli gent andRoboticS yst ems,1996,17(1):81-99.[4]　吴文悌,应申舜.虚拟样机技术在气动连杆机构设计中的应用研究[J].机床与液压,2006(12):84-86.WUWent i,YINGShensun.Virtual protot ypingindesi gnof pneum aticl inka ge[J].MachineTool&H ydraulics,2006(12):84-86.[5]　郝云堂,金烨.虚拟样机技术及其在ADAMS 中的实践[J].机械设计与制造,2003(3):16-18.HAOYuntan g,JINYe.Virt ual protot ypetechnolo 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在机床结构有限元法建模中的动态力学的研究与应用作者：刘景艳来源：《价值工程》2013年第34期摘要：本文对机床结合面特性进行了简单分析，重点对机床结构有限元动态分析的基本理论和有限动力学软件和模型进行了分析研究。

Abstract： This article makes a simple analysis combined with surface features of NC machine tools， and takes analysis and research on the basic theory of finite element dynamic analysis of machine tool structure and limited dynamic software and the model.关键词：现代机床；力学；机床结构；动态分析；动力学模型；分析研究Key words： modern machine tools；mechanics；the structure of the machine tool；dynamic analysis；dynamic model；analysis and research中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）34-0034-021 概述机械结构的结合面动力学参数对建立正确的动力学模型有着决定性的影响。

机床结构动、静态特应该具有越来越高的动、性的研究已经成为当今机床行业的重要环节之一。

机械结构的模块化设计以有限元分析为核心，动态结构优化为基础，通过结构的优化，不仅使零部件的静力学性能得到改善，还使结构的抗振特性得到提高，节省材料，获得最佳的结构尺寸。

机床床身是机床的重要基础件，它的动态特性和静态特性直接影响机床的加工精度及精度稳定性。

目前，国内外对机床结构在动载作用下的结构疲劳强度和动应力分析方法涉及相对很少，主要原因是由于车床结构相对复杂和现场结构耐久性试验费用昂贵。

锻造操作机液压系统设计与仿真锻造操作机是锻造行业中的重要设备，其液压系统是实现设备动作和控制的关键部分。

本文将介绍锻造操作机液压系统的设计及其仿真分析，以期提高设备的性能和可靠性。

锻造操作机主要用于金属材料的锻造加工，其液压系统具有以下特点：动作精度高，能够实现精确的位移、速度和力控制。

需要承受高温、高压和高冲击负荷，因此要求液压元件具有高性能和长寿命。

系统中涉及多种液压元件和辅助元件的协调工作，因此需要精心设计液压回路和控制策略。

系统原理锻造操作机液压系统主要由液压泵、液压缸、液压阀、管道和辅助元件等组成。

根据设备工艺需求，设计液压系统原理图，确定液压缸数量、连接方式以及液压回路。

元件选型选择高品质的液压元件，如液压泵、液压缸、液压阀等，是保证液压系统性能的关键。

元件的选型还应考虑如下因素：布置方案根据设备结构和空间布局，设计液压系统的布置方案。

在保证系统性能的同时，应考虑如下因素：利用仿真软件对设计的液压系统进行仿真分析，可以评估系统的性能和可靠性。

通过仿真，可以得出如下在不同工况下，液压系统中的压力、流量和功耗等参数变化较小，系统性能稳定。

液压元件的选择和设计能够满足锻造操作机的工艺要求。

在一定范围内，液压系统的响应速度较快，能够适应快速动作的需求。

根据仿真结果，可以进一步优化液压系统设计，如调整液压回路参数、优化元件布置等。

仿真还可以指导设备的调试和优化，提高设备的可靠性和稳定性。

本文介绍了锻造操作机液压系统的设计与仿真分析。

通过合理设计液压系统原理、选择高品质的液压元件以及制定有效的布置方案，能够提高锻造操作机的性能和可靠性。

利用仿真软件对设计的液压系统进行仿真分析，可以评估系统的性能和可靠性，为系统的优化提供指导。

本文的研究成果对锻造操作机液压系统的设计和应用具有一定的参考价值。

随着科技的不断发展，锻造操作机液压系统的设计将面临更多新的挑战。

未来研究方向可以包括：研究新型的液压元件和控制系统，以满足锻造操作机不断提高的性能需求。

金属材料锻造过程建模与仿真分析金属材料锻造是一种常见的金属加工方法，通过将金属材料加热至一定温度，然后施加压力将其塑性变形，最终得到所需形状的零件或产品。

在现代工业生产中，锻造被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造等领域。

为了实现高效、精确和可靠的锻造过程，建模与仿真技术成为不可或缺的工具。

锻造过程的建模是将现实世界中的物理过程转化为数学模型的过程。

通过建立准确的模型，可以帮助我们提前预测和评估锻造过程中的各种参数，如温度分布、应力分布、变形量等，从而指导生产过程和优化工艺方案。

常用的建模方法包括有限元法、计算流体力学等。

有限元法是一种常用的建模与仿真技术，广泛应用于金属材料锻造过程中。

该方法将整个锻造过程分割成许多小的有限元，然后通过求解数学方程来模拟材料的变形、温度变化以及其他物理过程。

通过有限元法，我们可以得到锻件的应力分布、应变分布、温度分布等信息，为优化工艺参数和设计模具提供参考。

在建模过程中，要考虑的因素有很多。

首先是金属材料的本构关系。

不同的金属材料具有不同的力学特性，包括弹性模量、屈服强度、流动应力等。

这些参数的准确描述对于建模分析十分重要。

其次是摩擦因数。

在锻造过程中，摩擦是一个不可忽视的因素，它会影响材料的变形行为以及所需要的锻造压力。

除了金属材料的参数，锻造过程的温度变化也需要考虑。

在锻造开始的时候，金属材料是需要被加热的。

温度的变化会直接影响到材料的流动行为和变形行为。

因此，在建模过程中需要准确地考虑温度的变化规律。

此外，还需要考虑锻造过程中的机械加载情况以及模具形状对锻件变形的影响等问题。

在完成建模之后，仿真分析是必不可少的一步。

通过对建模结果的仿真分析，可以预测锻造过程中可能出现的问题，如应力集中、材料破裂等，并采取相应的措施来解决这些问题。

同时，仿真分析还可以对不同的工艺参数进行比较和评估，从而找到最佳的工艺参数。

正如上述所提到的，金属材料锻造过程的建模与仿真分析在现代工业生产中具有重要的地位。

应用技术与设计2018年第18期119对于锻压机应用者而言，合理的设计锻压机机床床身，是进行现代化生产的必要措施。

目前，经验设计法是国内进行机床床身设计的主要方式，然而这种设计缺乏必要的参数支撑，难以实现机床床身结构的最优化。

文章以此为出发点，采用有限元法对机床床身动静态效果下的刚度和抗震能力进行优化，期望达到锻压机机床变形量减小、床身质量减轻的效果。

1　机床床身设计方案优化应用过程中，锻压机的机床床身的存储、形状乃至筋板布局等结构对于自身的应用具有深刻影响，这些部位的参数水平直接影响着锻压机动态、静态的应用效果。

对于床身设计而言，其基础的设计要求在于优化后的结构不能破环原有的装配效果，即设计过程中应侧重于机床结构中筋板的布置方式，而尽量避免对于机床尺寸的改变。

然后通过分析研究，确定不同筋板布局方式下，机床应力、频率及变形的基本情况，选择最优布局方案。

结合工程的实践以及相关设计要求，设计了三种床身筋板的布局方案，这三种方案分为两种类型：一三方案结构布局为井字形；而第二种方案的筋板布局为米字形。

需要注意的是，纵然一、三方案结构相似，但其纵向筋板的设置存在细微差异，即前者的纵向筋板保持了对齐效果，而后者机床床头、床身的纵向筋板存在一定参差，并未对其。

另外，此三种方案的设计基于同一锻压机机床，即机床材质和型号，外形尺寸和筋板壁厚都相同。

在参数使用上，HT300是该机床床身的基本材料，这种材料的密度为7350kg/m 2，并且具有1.3×1011pa 的弹性模量。

通过对床身动静态的参数比较，发现床身筋板布局改变后，一至三号的床身质量分别变为2283.4kg、2285.7kg 和2290.7kg，相对应的，其自身的应力与变形也发生变化。

具体而言，井字形的一、三、方案一阶固有频率变化较大，为215.79Hz 和219.91Hz，这一变化表明与，米字形结构相比，井形设计具有更好的结构动态性；另一方面，方案二、三、存在的问题在于其纵向筋板的数量没有方案一多，即其抗弯曲效果没有方案一突出。