2000kn单动液压机上横梁结构分析及优化设计.doc

2000KN单动液压机上横梁结构分析及优化设计


摘    要

液压机通常是利用压力来进行机械加工的设备，它可以广泛应用于各国国民经济各部门，并且种类有很多，发展速度也非常快，已经成为机械工业的一个重要的部分。液压机是一种通用的锻压机械，它的主要零件的变形大小以及其它特性将直接或间接影响到工件的加工质量。我们很多传统古老的设计方法是把零件模型进行必要的简化，大概估计一下零件的各种特性，然后将其横梁简化成简支梁结构, 再采用材料力学的分析方法来简化计算过程，最后求得横梁刚度和强度。这样处理的后果是很难保证前面计算的精度和可靠性，而且设计计划周期很长。由于液压机的工作状况比较恶劣，以前在计算方法不太准确的时，为了保证机器安全性，不得不采用加大安全系数的办法来设计液压机械，可是这样却使得机器结构相当笨重，浪费材料不说而且无法判断其是否满足一些重要条件的要求，应力分布也不尽合理。
有限单元法( FEM )则是一种为弹性力学问题提供近似解并且非常可行符合实际的重要方法， 为进行大型复杂结构的各种分析提供了一种强有力并且精确的分析手段，在液压机的整体以及主要零部件的设计中已经成为了必不可少的重要工具。
本文参考液压机的设计理论，结合原有液压机结构设计方案和前人设计成果经验，介绍了一些传统设计方法的弊端，并以大型计算机有限元（FEM）软件ANSYS作为工具，首先对该单动液压机上横梁整体结构进行几何建模，然后进行网格划分并施加约束和载荷，再进行有限元分析和计算，了解其整体结构的受力特点和关键部件部位的应力应变状态，然后分别对该液压机的上横梁各个结构的尺寸进行了参数化设计并编程，在应力许可范围内，利用优化器及传统优化的方法以其重量为目标函数进行优化设计。最终液压机上横梁结构在应力增加不大的情况下，整体的质量得以大大减轻。

关键词：液压机 有限元 结构设计 优化 ANSYS

ABSTRACT

Hydraulic pressure is one of the processing equipment, it is broadly used in the national economy departments, and developed rapidly. It has become an important component in a machine tool industry . The major deformation of parts and other properties will directly or indirectly affect the processing quality. The traditional design method  is to simplify the parts model, and roughly estimate the properties of parts. The beam will be reduced to simply supported beam, then material mechanics will be used to simplify calculation for beam stiffness and strength. It is difficult to ensure the accuracy and reliability of the calculation and design cycle is long. Because of the hydraulic press is under poor working conditions,  in the circumstances of not accurate calculation, in order to ensure the safety, people often  increase security coefficient to design hydraulic machinery, which makes the machine structure bulky, waste materials and can't decide whether it meet important characteristic request, and the stress distribution is not reasonable.
Finite element method (FEM) is an important method for elastic mechanics to provides a feasible and the approximate solutions.It provides a powerful and precise analysis means for large and complex structure of.In the design of the whole hydraulic press  and the main components and it has become an indispensable tool.
Based on the hydraulic press design theory, refering to the original structure design and former hydraulic design results experience, this paper uses a finite element software ANSYS analysis tools for the type hydraulic press beam in the whole structure finite element analysis and calculation. So we can the understand the mechanical characteristics and the stress state of the whole structure. And then to parameterly design beam the beam structure. Within the scope of license of stress, we can do optimization design with its weight as the objective function. Eventually with the beam's stress of not increase, the overall quality is to reduce.

Key words：Hydraulic pressure，FEM method，Structural analysis，
Structural optimization design， ANSYS

目   录

中文摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1绪论 1
  1.1 液压机结构设计及优化的重要性 1
  1.2 液压机设计方法的发展状况 1
   1.2.1传统方法及不足 2
   1.2.2现代设计方法的出现及研究现状 2
    ①有限元及优化方法的出现 2
    ②计算机的发展和有限元分析软件（ANSYS）的出现 2
    ③新的优化算法及基于APDL参数化的有限元分析方法 3
  1.3 发展趋势 .5
  1.4 课题研究内容及主要任务 5
  1.5 课题意义及目前研究的不足 5
 2液压机上横梁建模、网格划分、施加约束及载荷 7
   2.1 模型的基本假设 7
   2.2 分析方案的制定 7
   2.3 建模方法的选择 8
   2.4 建立几何模型 9
   2.5 网格划分 16
   2.6施加约束及载荷 17
   2.7求解 18
 3液压机上横梁的静态有限元分析 19
   3.1 对模型进行有限元分析 19
   3.2 对计算结果的分析 19
   3.2.1应力计算结果分析 19
   3.2.2位移计算结果分析 22
  3.3 分析总结 24
 4液压机上横梁的优化分析 25
  4.1 优化方法的选择 25
  4.2 优化分析的数学模型 26
  4.3 优化分析的步骤 27
  4.4 优化过程 28
   4.4.1对设计变量D1的优化 29
   4.4.2对设计变量D2的优化 33
   4.4.3对设计变量D3的优化 35
   4.4.4对设计变量D4的优化 37
   4.4.5对设计变量H2的优化 39
   4.4.6对设计变量R3的优化 42
   4.4.7对所有设计变量进行整体优化 44
   4.4.8优化总结 49
5总结 50
参考文献 51
附录A：参数化模型命令流 53