机械毕业设计184JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计

JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计
专业：机械设计制造及其自动化
学生：
指导教师：
完成日期：2014年6月1日
摘要
有限元分析和结构优化等ANSYS技术的应用，对于降低制造成本，提高经济效益具有重要的意义。

本文以JS-500精整压力机机身作为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS Workbench对JS-500精整压力机进行有结构静态分析、结构优化设计以主要内容有：
（1）分析了解JS-500精整压力机工作状态和性能。

（2）对机身结构进行三维实体建模。

（3）分析曲轴的受力情况和强度校核，对其进行工作载荷分析，确定边界条件及加载方案。

（4）划分网格，进行有限元结构静态分析，求出机身应力分布规律和载荷对其工作性能的影响，并对机身进行优化设计。

（5）对压力机进行自由模态和约束模态分析，求解其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。

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，静态分析，优化设计，模态分析
Abstract
The application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the economic benefit is of great importance.Finishing press frame based on the JS - 500 as the research object, using the finite element analysis software ANSYS Workbench to JS - 500 sizing press has
a structural static analysis, the structure optimization design to the main contents are:
(1) The sizing press JS – 500 is analysed, and its working state and performance.
(2) The fuselage structure of 3 d entity modeling.
(3) Analysis of crankshaft stress distribution and intensity, the analysis on the working load, boundary conditions and loading plan.
(4) Mesh, finite element structural static analysis, the stress distribution and the fuselage and load on its working performance, and optimize the fuselage design.
(5) For press freedom modal and constraint modal analysis, to solve the natural frequencies and corresponding vibration mode, dynamic parameters, such as analysis of its influence on working conditions. Finally, the paper research content is summarized and prospected.
Keywords:press machine, finite element analysis, static analysis, optimization design, model analysis
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录 (III)
第一章绪论 (1)
1.1 压力机的概述 (1)
1.2 国内外压力机的发展 (1)
1.3 课题来源 (3)
1.4 本课题研究的目的及意义 (3)
1.5 本课题的研究内容 (3)
1.6 本章小结 (4)
第二章有限元方法及ANSYS软件简介 (5)
2.1 有限元方法简介 (5)
2.2 有限元的发展与现状 (6)
2.3 ANSYS模态功能介绍 (7)
2.4 有限元分析软件ANSYS Workbench简介 (7)
2.5 本章小结 (8)
第三章压力机机身静态分析 (9)
3.1 机身静力学分析过程简要流程 (9)
3.2 三维实体建模 (9)
3.3 有限元模型的建立 (10)
3.4 制定分析方案 (11)
3.4.1考虑的因素 (11)
3.4.2 单元类型 (12)
3.4.3 网格划分 (12)
3.4.4 接触设置 (13)
3.4.5 施加边界条件 (14)
3.5 计算结果分析 (15)
3.5.1 应力和变形要求 (15)
3.5.2 结果分析 (17)
3.5.3 应力分析 (19)
3.5.4 变形分析 (19)
3.6 本章小结 (19)
第四章机身结构改进 (21)
4.1 优化分析 (21)
4.2 优化方案一 (21)
4.3 优化方案二 (24)
4.4 优化方案三 (27)
4.5 优化方案四 (30)
4.6 选择最佳优化方案 (33)
4.7 本章小结 (33)
第五章机身的模态分析 (34)
5.1 模态分析概述 (34)
5.1.1 模态分析理论基础 (34)
5.1.2 模态分析原理 (34)
5.2 对机身进行模态分析 (35)
5.2.1 自由模态描述分析 (35)
5.2.2 约束模态描述分析 (37)
5.3 本章小结 (43)
第六章结论和展望 (45)
6.1 总结 (45)
6.2 展望 (45)
致谢 (47)
参考文献 (48)
第一章绪论
1.1 压力机的概述
压力机是一种通用性设备，可以广泛的应用于粉末、陶瓷、橡胶、磁材、金属、复合材料等的压力成型以及各种机械、汽车装配线上零部件的压装等工作。

但长期以来我国压力机的设计和制造水平比较低，存在着其压力、位置等参数的控制基本上还是手动或模拟量的调整，自动化水平低，压机间及压机与上位机间无法进行通讯，液压回路控制简单，床身结构为经验设计等缺点，无法满足高精度压装制造业的需求，与金属切削设备相比，其伺服化、数字化的开发进程落后数十年。

特别是近年来，我国汽车工业正以前所未有的速度发展，从而带动着整个制造业的振兴，而在各种汽车零部件的制造和装配过程中离不开压力机械的使用，压力机的市场需求在逐年增加，同时旧的压力机也随着产品技术要求的提高而需要更新。

因此，该机的研制成功与大量使用对于提高压装质量及降低操作者的劳动强度将起到重要的作用。

也必将对于提升我国压力机的装备水平及至整个国民制造业有着深远的意义[1]。

机械压力机是利用曲柄滑块机构将电动机的旋转运动转变为滑块的直线往复运动对坯料进行成形加工的锻压设备。

能进行各种冲压工艺以直接生成半成品或成品[2]。

在所有的锻压设备中，机械压力机所占比例高达80%以上[3]。

精整压力机是一种精密、高速、高效的精密整形拉深压力机，设备采用六连杆机构并进行了优化设计，使该设备既具有类似于液压机的运动特性曲线，又具有较快的行程次数[4]。

1.2 国内外压力机的发展
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[5]。

自改革开放以来，我国国民经济得到了稳定高速的发展，液压技术已广泛应用在冶金、工业设备、汽车、工程机械、船舶、飞机、润滑系统等各个领域[6]。

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[7]。

目前国内外大多数使用的压力机一般都采用不可调速的交流异步电动机进行驱动，这种驱动方式需要一整套的转换机构将旋转运动转换成所需要的直线往返运动，同时为了减小电动机的功率，还在传动系统中设置了飞轮，这种传动系统成本较低，但是体积笨重，变速难度大[8]。

国外对于压力机的机身也有大量的研究，德国的Neuman M.和Hahn.H建立了机械压力机的三种不同复杂程度的工程模型，并通过实验进行验证模型的参数，从而对压力机进行计算机仿真和动态设计。

丹麦的M.Arentoft,M.Eriksen和T.wanheheim 设计了一种压力机实验来确定了压力机的六个刚度，从而为压力机的设计提供了有益的帮助[9]。

日本作为世界上资源最稀缺并且消耗最大的国家之一，他们的工程技术人员对节能技术的研究一直处于世界先进水平。

作为日本非常有影响力的企业，口本第一电气株式会社从20世纪80年代末就开始对直驱式电液伺服系统进行研究，取得了一系列的研究成果，己经在开始在工程设备中使用[10]。

目前世界锻压设备的发展趋势是:集机械、电子、液压、气动及检测等方面的最新技术于一体，自动化程度高、换模快速、工作可靠、噪声低、防护完善、精度高。

近年来又发展了数控系统，能和电子机算机、工业机器人、自动换模系统及自动仓储等相结合，构成多种系列的柔性制造单元和柔性制造系统，并向现代集成制造系统方向发展[11]。

1.3 课题来源
本课题来源于扬州捷迈锻压机械有限公司。

JS-500精整压力机为国内首创半开、半闭式压力机，JS-500精整压力机是该公司根据市场需求而开发研制的产品,专门用于锻压汽车零部件而生产的，适于薄板的冲载、成形、弯曲、校正、拉深和整形等各种冷冲压工艺。

要求我们运用有限元分析技术，对JS-500精整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 本课题研究的目的及意义
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开式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，研究的方向不但在压力机机身上，而且已转移到整个压力机装配上，在研究的手段上不但是计算机仿真，而且应用了许多有效的实验模拟装置。

我国压力机的分析水平还不高，对机身的有限元分析很多都局限于静态分析，而从动态方面来研究做得很少。

随着电子技术、计算机技术与机床技术的结合，强烈要求分析设计内容完善化、目标最优化、过程动态化、使机床加工高速化、加工过程自动化和柔性化。

并且具有可靠性和经济效益。

只有这样才能提高我国机床的产品质量和国际竞争力，推动我国名族工业的生产。

1.5 本课题的研究内容
（1）前期准备：收集相关资料，查阅中外文献、请教老师和同学讨论。

学习有限元分析软件，有限元建模、边界条件的确定、载荷模拟及结构应力应变场的分析及优化设计等现代设计方法。

（2）对JS-500精整压力机机身进行三维实体建模；
（3）了解JS-500精整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
（4）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；
（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。

（6）对压力机进行模态分析，得到机身结构的固有频率以及相应的振型等动态参数，分析其对工作的状况的影响。

1.6 本章小结
本章主要介绍了课题的研究背景，课题来源，研究目的和要求。

这章内容是论文的重要组成部分，是本论文写作的背景来源。

这需要我们在做毕业设计之前首先去阅读并加以理解，然后贯穿于整个设计过程中。

第二章有限元方法及ANSYS软件简介
2.1 有限元方法简介
有限元法(Finite Element Method)简称FEM，产生于20世纪40年代。

此前，工程中解微分方程的数值方法主要是差分法。

由于航空工业发展的需要，对飞机的结构要进行精细的设计与计算，以减轻质量、提高强度等，这就推动了结构力学的发展，出现了矩阵力学分析方法。

R.W.Clough (1960年)在分析弹性力学问题时首次提出有限元方法的名称。

冯康等(1964年)也提出了类似的有限元方法及变分原理。

此后，有很多的工程师在土木工程、机械工程等各个领域尝试采用有限元方法分析弹性力学问题、流体力学问题、传热问题等，推动了有限方法的蓬勃发展。

1967年，ZienkiewiczOC和Cheung最早出版了有限元分析的专著。

1972年，J.T.Oden出版了非线性连续体的有限元专著。

有限元方法的出现，不但使过去想分析而无法分析的问题得到很好的解决，也使各类问题计算结果的精度大大提高，同时引发了计算数学的革命，带动了其他学科的发展。

据估计，目前国际上，有90%以上的机械类产品、土木工程结构要采用有限元分析方法进行分析，有70%的科技文献中会采用有限元作为分析工具[12]。

李明典等用有限元法分析了锤杆在对中和偏心载荷作用下应力沿锤杆的分布，探讨了不同偏心、加速度和材质对锤杆动应力分布的影响，为锤杆的改进设计提供有用的理论依据[13]。

土俊领通过对轧机机架的有限元分析，找出了危险点的位置，确定了极限安全系数[14]。

土苏安等针对某厂25吨曲柄连杆式吃剪机机架使用中存在的问题，采用ALGOR软件对吃剪机机架进行了有限元分析和强度研究，得出了吃剪机机架的应力、应变分布，找出了薄弱环节，并应用电阻应变仪在现场作了多点测试，其理论值和实际测试值吻合较好。

并对吃剪机架提出了改进措施，对改进后的机架又进行了有限元分析。

实践证明通过改进的曲柄连杆式吃剪机架其性能比以前更好[15]。

李陪武等以J53-160。

型双盘摩擦压力机为例，较为全面地分析了中心载荷、扭转载荷和偏心载荷对机身强度和刚度的影响，提出了允许偏载域的概念及一些解决问题的方法与设计准则[16]。

史宝军、管延锦等对压力机的强度和刚度进行了研究，并结合机身的结构特点，分别采用了许多措施，使机身的结构更合理[17][18]。

史宝军等主要对J21-160型开式压力机机身进行有限元分析和结构优选，取得了既减
轻重量又提高强度、刚度的显著效果。

这说明锻压机械的有限元分析已从原来的应力和变形分析走向结构的静态优化[19]。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一ANSYS公司开发[20]。

2.2 有限元的发展与现状
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。

有限元的概念早在40年代就被人提出，但是由于当时计算机尚未出现而没有被重视。

直到60年代有限元法才发展起来，是计算机的产物。

美国克劳夫教授运用三角形单元对飞机结构进行了计算，并在1960年首次提出了“有限单元法”这一名称[21]。

我国的冯康教授在1956年中发表的论文中也提到了有限单元法。

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。

随着电子计算机速度、容量的提高,商品化有限元程序越来越广泛地被人们所接受，人们不必再在编写程序上花费大量的精力。

不仅如此,商品化有限元程序的发展,还使用户能够摆脱手工网格划分、逐点输入结点坐标和单元联接信息。

而且通过屏幕菜单方式得到了良好的人机对话环境和在计算结果分析上鲜明的视觉效果。

目前的商品化有限元程序一般分为3个部分，即前处理部分、处理部分和后处理部分。

它们通过互交式计算机图形集中到CAD /CAM系统[22]。

通过对压力机机身进行有限元分析后，对强度、刚度相对薄弱的局部结构进行改进[23]。

随着计算机与有限元软件的发展，用有限元法对零部件进行受力分析校核逐渐取代了原有的经典材料力学的危险截面计算法。

通过测试证明，有限元法计算结果误差更小，能够为设计人员提供更为可靠的参考依据。

近两年来，采用有限元分析法对机床在设计开发阶段的关键零部件进行及时分析校核，为零部件的反复优化改型设计提供了重要参考依据，使机床在生产加工前，其零部件强度和刚度己经有了较好的控制，极大减少了返工率[24]。

有限元方法的一些发展趋势：1.与CAD 软件的无缝集成 2.更强大的网格处理能力 3.由求解线性问题发展到求解非线性问题 4.由单一结构场求解发展到耦合场问题求解5.程序面向用户具有开放性[25]。

2.3 ANSYS模态功能介绍
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

包括参数定义、实体建模、网格划分。

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

在次阶段，我们进行分析类型定义、分析选项、载荷数据和载荷选项。

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

2.4 有限元分析软件ANSYS Workbench简介
软件接口，实现数据的共ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD享和交换，如Pro/Engineer, I－DEAS, AutoCAD
等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE 软件的异构问题。

面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。

与传统ANSYS对比，Workbench与其主要功能大致相同，有以下几点：
1）结构分析。

用于分析结构的变形、应力、应变和反力等。

结构分析包括静力分析、动力学分析。

2）热分析。

热分析通过模拟热传导、对流和辐射三种热传递方式，已确定物体的温度分布。

可以进行稳态和瞬态热分析，可以进行线性和非线性分析，可以模拟材料的凝固和溶解过程。

2.5 本章小结
对本设计过程所需要的理论依据，工具等作了简单介绍，详细的请读者参阅有关参考文献。

贯穿设计过程中的思想是有限元法，在设计的后半部分，还要用到优化设计方法。

其中，将有限元法应用到实际中去需要借助有限元分析软件ANSYS Workbench，它是必不可少的工具。

所以，在进行机械设计的过程中一定要选对研究方法和研究工具，掌握研究对象特点，这样才能在设计过程中有条不紊地完成每一个部分的设计内容，最终顺利完成设计内容，交出一份高质量的设计报告。

第三章压力机机身静态分析
3.1 机身静力学分析过程简要流程
对机身结构进行必要简化，用Solidworks软件对机身进行
实体建模。

将模型导入到ANSYS Workbench软件中，进行有限元分析。

对分析结果进行观察与总结，以便后续的机构优化设计。

3.2 三维实体建模
SolidWorks 软件采用了特征建模技术和设计过程的全相关技术，是目前领先的、主流的三维CAD 软件。

它具有配置管理、协同工作、零件建模、装配设计、全相关工程图、钣金设计、有限元分析和动态仿真等多项功能，它为广大用户提供了多种多样的设计过程专用工具。

对于焊件设计，可以使用直观的布局方法来迅速获取设计意图。

通过利用焊缝、角撑板、顶盖和切割清单，迅速完成焊件设计和文档。

它还包含功能强大的钣金工具，用于在折叠或展开状态创建高级钣金设计。

该模块自动应用所有钣金特性（如金属厚度、折弯半径和折弯释放槽），并自动完成法兰、切口、放样的折弯、展开、正交切除、角切除、正交处理、褶边、转折等的创建过程。

借助SolidWorks 软件，用户可以灵活地在一个文档中创建零件、装配体和工程图的多个版本，由此最大程度地提供重用机会。

实体模型是在Solidworks中建立的，因为本人认为Solidworks建模方便快捷，而且可以利用ANSYS Workbench与Solidworks的接口技术快速得将模型导入ANSYS Workbench进行分析。

机身由前、中、后三块板，左、右侧两块板，以及一个工作台组成。

其中，前
面的板上有一半径340的上半圆孔和半径310的下半圆孔，中间板上有一Φ380的孔，并与半径340的半圆孔是同心的，用来支撑压力机曲柄滑块机构中的曲轴。

建模时，必须对实体模型进行改造。

压力机机身结构复杂，不可能将所有复杂因素都考虑在内，不可能使有限元模型的质量矩阵、刚度矩阵完全与事实相符。

简化建模的原则为，在尽量保留重要结构的基础上，将不影响分析的结构去除，并且不考虑倒角、圆角、凸台、螺钉孔等结构。

机身是压力机的一个基本支撑部件，工作时要承受全部工作变形力。

因此，机身的合理设计对减轻压力机重量，提高压力机刚度，以及减少制造工时，都具有直接的影响。

机身分为两大类：即开式机身和闭式机身。

机身结构分为铸造结构和焊接结构两种。

JS500压力机机身为半开半闭的焊接加螺栓结构，左右基本对称。

JS500的主要技术规格如下
型号: JS-500；
公称压力: 5000KN；
公称压行程：8mm；
滑块行程长度：300mm；
滑块行程次数：30；
工件台面尺寸：前后方向1100；
左右方向1200；
工件台面板厚：200；
ρ；
机身材料是Q235A，密度3
=
kg
7800m
3.3 有限元模型的建立
为了进行有限元分析，必须对于实体模型进行改造，使之成为很多微小的单元和节点的组合，这样的模型称为有限元模型。

其建立包括定义单元属性，划分网格生成单元以及添加边界条件等步骤。

简化时，应根据分析类型，只考虑一些起主导作用的因素来建立机身的简化模型，因此对于某些结构凸台、螺钉孔、销孔、圆角等予以忽略。

主板和主垫板、隔板、拖动架、滑块之间用螺栓连接，可视为一个整体。

简化后机身实体几何模型如图3-1。