基于Pro_E和Ansysworkbench四柱液压机上横梁的结构优化设计
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〔Abstract〕 This paper builds parameterized model of upper beam of mydraulic press and maks structure ptimization based on pro/ Engineer, then it makes FEA of Optimization result basedon Ansysworkbench and validates the correctness of Optimization result ,which provides references for future Design. 〔Key words〕 Hydraulic Press； Upper Beam； Structure Optimization ；Pro/E ；Ansysworkbench；FEA
图。 残余预紧力显示为
C Force 2，工作载荷显示 为 B Force ，对上横梁的
图 7 网格模型
上表面的立柱螺帽接触面添加约束类行为 Frictionless
Support 的约束，显示为 A Frictionless Support。 使用实
体网格模型，对肋板添加映射网格控制，其余按照默
认设置进行网格划分，其效果见图 7。
力 78.33 MPa，取第 2 组数据 DS_A=35；DS_H=72,重建
模 型 ，再 次 进 入 DS，细 化 网 格 ，网 格 细 化 共 有 67 577
个节点 、374 96 个单元， 设置应力及变形量的收敛率
为 5% 进行计算，获得最终的模型应力值和变形量。发
现最大应力出现在上横梁与立柱螺母的接触处，大小
9 24.326 014 94.146 015 38.750 000
10 31.173 457 129.085 045 28.750 000
11 37.221 977 169.357 561 26.250 000
12 23.782 386 87.390 566 36.250 000
13 29.402 545 119.169 836 31.250 000
图 1 上横梁基本结构图
反作用力， 由于上横梁的刚度远大于四支柱的刚度，
故其力学模型可简化为两端铰支，中间受压力的弯曲
梁； 对于四柱液压机，最
简单的方法可视为受一
集中力，弯曲梁的最大弯
矩发生在上横梁的中间 图 2 上横梁受力简化图
截面处， 选择距离较远的两对支撑柱的方向进行简
化，见图 2。
Mmax = 0.5P×104×0.5×L×10-3.
为 74.608 MPa，见图 8，立柱的平行方向最大变形位移
为 0.000 856 mm，见图 9，远小于工程许用值，符合国
家标准 [4] 。
Run# Initial
1 2 3
表3
DS_A 40. 35. 35. 30.
参数化分析结果
DS_H 77. 77. 72. 72.
Equivalent Stress 2 Maxima 65.997 79.838 81.471 96.868
(1)
τ = P/S ≤ [τ].
(2)
σ = MmaxYmax/ Iz ≤ [σs] .
(3)
式 中 :P— ——液 压 机 的 公 称 压 力 ，kN；L— ——立 柱 中 心
距，mm；S— ——上横梁的最小横截面积，mm2。
上式仅对上横梁作粗略估算，为下一步优化设计奠定
基础[2] 。
1.2 建立基于 Pro/Engineer 的三维模型
收 稿 日 期 ：2008－10－13 作者简介：申 磊（1982－），男，河南南阳人，太原理工大学在读硕士研究生，研究方向：CAD、CAM、CAE。
·10·
第 24 卷第 2 期(总第 107 期)
申 磊，等：基于 Pro/E机和械An管sysw理ork开ben发ch 四柱液压机上横梁的结构优化设计
第 24 卷第 2 期(总第 107 期) Vol.24 No．2 (SUM No．107)
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
2009 年 4 月 Apr ． 2009
基于Pro/E和Ansysworkbench
四柱液压机上横梁的结构优化设计
申 磊1 , 董 平 2 , 吴凤林1
为使焊接应力尽量均匀及采购型材型号统一，以
及建立模型时减少参数个数，本文设计的肋板厚度相
等，5 个钢桶的壁厚稍大于肋板厚度，4 个对角线上的
肋板厚度为 (DS_A+10) mm， 其余肋板 厚 度 为 DS_A
mm，上下两腹板厚度为 DS_H，5 个管形型材的壁厚取
（DS_A+10） mm，腹板周边到肋板的距离取 DS_A 值。
2） 优化模型： 运行分析， 并进入 DX 建立表格，
（以 DS_A 和 DS_H 为自变量，上述各面的最大应力值
及上下两面的最大变形量为目标变量的表格）进行列
表计算，设置各个应力及变形量的收敛率 20%进行列
表计算。 DS_A 和 DS_H 的值以实际的板厚系列取值，
如见表 3。 比较发现第 2、3 两组数据均较接近许用应
参考文献 [1] 天津市锻压机床厂.中小型液压机设计计算[M].天津：天津
人 民 出 版 社 出 版 ，1977. [2] 徐芝伦.材料力学[M]. 北京:高等教学出版社,1979. [3] 林清安.Wildfire2.0 零件设计高级篇[M]. 北京：清华大学出
版 社 ，2006. [4] 祁 祎.最新经典 ansys 及 workbench 教程[M]. 北京：电子
图 8 应力云图
图 9 变形位移图
·11·
第 24 卷第 2 期(总第 107 期)
机械管理开发
2009 年 4 月
2 结束语 尽管本文是以 6 300 kN 四柱液压机上横梁的优
化展开讨论的, 但其处理思路和方法有较大的通用性 和实用价值，可以运用此法设计工作台（下横梁）。 若 压机型号改变， 不必重新绘图， 只需直接进入 ansysworkbench 修 改 参 数 、重 生 模 型 、修 改 载 荷 大 小 ，即 可 再次进行强度校核， 这将大大缩小设计计算的时间， 减小计算失误。
主向位移的分布曲线和应力图谱, 通过综合分析对原
结构作了改进设计。 我们选用焊接结构的上横梁为基
本 结 构 ，选 择 常 用 材 料 Q235，它 的 焊 接 性 能 良 好 ，市
场上较常见，价格低廉，其性能指标见表 1，取安全系
数 n = 3，则 σ = σs /n = 235/3 = 78.33 MPa。
限元分析， 取立柱螺纹 的 残 余 预 紧 力 为 0.5 ×
图 4 上横梁载荷分布图
1.2P，其载荷分布图见图 4。
取 30 ≤DS_A≤40 和 50≤DS_H≤80， 通过 Pro/E
的多参数化分析，建立关系式（切应力 Q，弯曲应力 M）[3]：
τ=(1.2×630×104)/(2×XSEC_AREA).
1） 建立有限元模型：由于为对称结构，取其四分
之 一 进 行 有 限 元 划 分 和 计 算 。 将 模 型 导 入 到 ansys-
图 5 有限元模型
workbench 并简化， 简化
图 6 加载图
的有限元模型见图 5～图
7。约束载荷见图 6 ，对于
立柱孔处的下表面需考
虑残余预紧力的存在，其
大小参考图 4 载荷分布
工 业 出 版 社 ，2004.
Structure Optimal Design of Upper Beam of Hydraulic
Press Based on Pro/Engineer and Ansysworkbench
SHEN Lei1， DONG Ping2， WU Feng-lin1
(1.College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Techonlogy,Taiyuan,030024,Shanxi; 2.Henan Huanghe Whirlwind CO.,LTD,Changge 461500, Henan)
(1.太原理工大学 机械工程学院 , 山西 太原 030024；2.河南黄河旋风股份有限公司，河南 长葛 461500) 【摘 要】 主要介绍基于Pro/E四柱液压机上横梁参数化建模并对其结构进行优化,然后利用Ansysworkbench 对优化 结果做有限元分析,验证了优化结果的正确性，对今后的设计提供了参考。 【关键词】 上横梁；结构优化；Pro/E；Ansysworkbench；有限元分析 【中图分类号】 TP319 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003-773X（2009）02-0010-03
2009 年 4 月
为防止肋板受力时横向弯曲，肋板的高度应小于等 20
倍的肋板厚度，取上横梁
厚 度 为 （16DS_A +
2DS_H）mm[1] 。 , 考 虑 上
横梁的加工工艺性，其厚
度不宜过大， 根据实际
Q235 板 材 厚 度 ， 暂 取
DS_A=30 mm、DS_H =50 mm 建 立 三 维 模 型 ，获 得
此 , 我 们 采 用 基 于 建 立 Pro/E 参 数 化 模 型 和 Ansys-
workbench 有限元分析对四柱液压机的上横梁进行结
构优化设计,不但能够快速地修改模型，并能得到较好
的力学结果，具有一定的理论和实用价值。
本文以某厂 630 t 四柱液压机的上横梁为例,基
于 Pro/E 和 Ansysworkbench 设计计算, 给出了上横梁
图。 残余预紧力显示为
C Force 2，工作载荷显示 为 B Force ，对上横梁的
图 7 网格模型
上表面的立柱螺帽接触面添加约束类行为 Frictionless
Support 的约束，显示为 A Frictionless Support。 使用实
体网格模型，对肋板添加映射网格控制，其余按照默
认设置进行网格划分，其效果见图 7。
力 78.33 MPa，取第 2 组数据 DS_A=35；DS_H=72,重建
模 型 ，再 次 进 入 DS，细 化 网 格 ，网 格 细 化 共 有 67 577
个节点 、374 96 个单元， 设置应力及变形量的收敛率
为 5% 进行计算，获得最终的模型应力值和变形量。发
现最大应力出现在上横梁与立柱螺母的接触处，大小
9 24.326 014 94.146 015 38.750 000
10 31.173 457 129.085 045 28.750 000
11 37.221 977 169.357 561 26.250 000
12 23.782 386 87.390 566 36.250 000
13 29.402 545 119.169 836 31.250 000
图 1 上横梁基本结构图
反作用力， 由于上横梁的刚度远大于四支柱的刚度，
故其力学模型可简化为两端铰支，中间受压力的弯曲
梁； 对于四柱液压机，最
简单的方法可视为受一
集中力，弯曲梁的最大弯
矩发生在上横梁的中间 图 2 上横梁受力简化图
截面处， 选择距离较远的两对支撑柱的方向进行简
化，见图 2。
Mmax = 0.5P×104×0.5×L×10-3.
为 74.608 MPa，见图 8，立柱的平行方向最大变形位移
为 0.000 856 mm，见图 9，远小于工程许用值，符合国
家标准 [4] 。
Run# Initial
1 2 3
表3
DS_A 40. 35. 35. 30.
参数化分析结果
DS_H 77. 77. 72. 72.
Equivalent Stress 2 Maxima 65.997 79.838 81.471 96.868
(1)
τ = P/S ≤ [τ].
(2)
σ = MmaxYmax/ Iz ≤ [σs] .
(3)
式 中 :P— ——液 压 机 的 公 称 压 力 ，kN；L— ——立 柱 中 心
距，mm；S— ——上横梁的最小横截面积，mm2。
上式仅对上横梁作粗略估算，为下一步优化设计奠定
基础[2] 。
1.2 建立基于 Pro/Engineer 的三维模型
收 稿 日 期 ：2008－10－13 作者简介：申 磊（1982－），男，河南南阳人，太原理工大学在读硕士研究生，研究方向：CAD、CAM、CAE。
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第 24 卷第 2 期(总第 107 期)
申 磊，等：基于 Pro/E机和械An管sysw理ork开ben发ch 四柱液压机上横梁的结构优化设计
第 24 卷第 2 期(总第 107 期) Vol.24 No．2 (SUM No．107)
机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT
2009 年 4 月 Apr ． 2009
基于Pro/E和Ansysworkbench
四柱液压机上横梁的结构优化设计
申 磊1 , 董 平 2 , 吴凤林1
为使焊接应力尽量均匀及采购型材型号统一，以
及建立模型时减少参数个数，本文设计的肋板厚度相
等，5 个钢桶的壁厚稍大于肋板厚度，4 个对角线上的
肋板厚度为 (DS_A+10) mm， 其余肋板 厚 度 为 DS_A
mm，上下两腹板厚度为 DS_H，5 个管形型材的壁厚取
（DS_A+10） mm，腹板周边到肋板的距离取 DS_A 值。
2） 优化模型： 运行分析， 并进入 DX 建立表格，
（以 DS_A 和 DS_H 为自变量，上述各面的最大应力值
及上下两面的最大变形量为目标变量的表格）进行列
表计算，设置各个应力及变形量的收敛率 20%进行列
表计算。 DS_A 和 DS_H 的值以实际的板厚系列取值，
如见表 3。 比较发现第 2、3 两组数据均较接近许用应
参考文献 [1] 天津市锻压机床厂.中小型液压机设计计算[M].天津：天津
人 民 出 版 社 出 版 ，1977. [2] 徐芝伦.材料力学[M]. 北京:高等教学出版社,1979. [3] 林清安.Wildfire2.0 零件设计高级篇[M]. 北京：清华大学出
版 社 ，2006. [4] 祁 祎.最新经典 ansys 及 workbench 教程[M]. 北京：电子
图 8 应力云图
图 9 变形位移图
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第 24 卷第 2 期(总第 107 期)
机械管理开发
2009 年 4 月
2 结束语 尽管本文是以 6 300 kN 四柱液压机上横梁的优
化展开讨论的, 但其处理思路和方法有较大的通用性 和实用价值，可以运用此法设计工作台（下横梁）。 若 压机型号改变， 不必重新绘图， 只需直接进入 ansysworkbench 修 改 参 数 、重 生 模 型 、修 改 载 荷 大 小 ，即 可 再次进行强度校核， 这将大大缩小设计计算的时间， 减小计算失误。
主向位移的分布曲线和应力图谱, 通过综合分析对原
结构作了改进设计。 我们选用焊接结构的上横梁为基
本 结 构 ，选 择 常 用 材 料 Q235，它 的 焊 接 性 能 良 好 ，市
场上较常见，价格低廉，其性能指标见表 1，取安全系
数 n = 3，则 σ = σs /n = 235/3 = 78.33 MPa。
限元分析， 取立柱螺纹 的 残 余 预 紧 力 为 0.5 ×
图 4 上横梁载荷分布图
1.2P，其载荷分布图见图 4。
取 30 ≤DS_A≤40 和 50≤DS_H≤80， 通过 Pro/E
的多参数化分析，建立关系式（切应力 Q，弯曲应力 M）[3]：
τ=(1.2×630×104)/(2×XSEC_AREA).
1） 建立有限元模型：由于为对称结构，取其四分
之 一 进 行 有 限 元 划 分 和 计 算 。 将 模 型 导 入 到 ansys-
图 5 有限元模型
workbench 并简化， 简化
图 6 加载图
的有限元模型见图 5～图
7。约束载荷见图 6 ，对于
立柱孔处的下表面需考
虑残余预紧力的存在，其
大小参考图 4 载荷分布
工 业 出 版 社 ，2004.
Structure Optimal Design of Upper Beam of Hydraulic
Press Based on Pro/Engineer and Ansysworkbench
SHEN Lei1， DONG Ping2， WU Feng-lin1
(1.College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Techonlogy,Taiyuan,030024,Shanxi; 2.Henan Huanghe Whirlwind CO.,LTD,Changge 461500, Henan)
(1.太原理工大学 机械工程学院 , 山西 太原 030024；2.河南黄河旋风股份有限公司，河南 长葛 461500) 【摘 要】 主要介绍基于Pro/E四柱液压机上横梁参数化建模并对其结构进行优化,然后利用Ansysworkbench 对优化 结果做有限元分析,验证了优化结果的正确性，对今后的设计提供了参考。 【关键词】 上横梁；结构优化；Pro/E；Ansysworkbench；有限元分析 【中图分类号】 TP319 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003-773X（2009）02-0010-03
2009 年 4 月
为防止肋板受力时横向弯曲，肋板的高度应小于等 20
倍的肋板厚度，取上横梁
厚 度 为 （16DS_A +
2DS_H）mm[1] 。 , 考 虑 上
横梁的加工工艺性，其厚
度不宜过大， 根据实际
Q235 板 材 厚 度 ， 暂 取
DS_A=30 mm、DS_H =50 mm 建 立 三 维 模 型 ，获 得
此 , 我 们 采 用 基 于 建 立 Pro/E 参 数 化 模 型 和 Ansys-
workbench 有限元分析对四柱液压机的上横梁进行结
构优化设计,不但能够快速地修改模型，并能得到较好
的力学结果，具有一定的理论和实用价值。
本文以某厂 630 t 四柱液压机的上横梁为例,基
于 Pro/E 和 Ansysworkbench 设计计算, 给出了上横梁
