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1、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
2、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AbstractThe application of ANSYS technology such as the finite element analysis and structure optimization, to reduce the manufacturing cost, improve the econom
3、ic 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
4、 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 s
5、tress 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 con
6、ditions. 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IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1 压力机的概述11.2 国内外压力机的发展11.3 课题来源31.4 本课题研究的目的及意义31.5 本课题的研究内容31.6 本章小结4第二章 有限元方法及ANSYS软件简介52.
7、1 有限元方法简介52.2 有限元的发展与现状62.3 ANSYS模态功能介绍72.4 有限元分析软件ANSYS Workbench简介72.5 本章小结8第三章 压力机机身静态分析93.1 机身静力学分析过程简要流程93.2 三维实体建模93.3 有限元模型的建立103.4 制定分析方案113.4.1考虑的因素113.4.2 单元类型123.4.3 网格划分123.4.4 接触设置133.4.5 施加边界条件143.5 计算结果分析153.5.1 应力和变形要求153.5.2 结果分析173.5.3 应力分析193.5.4 变形分析193.6 本章小结19第四章 机身结构改进214.1 优化
8、分析214.2 优化方案一214.3 优化方案二244.4 优化方案三274.5 优化方案四304.6 选择最佳优化方案334.7 本章小结33第五章 机身的模态分析345.1 模态分析概述345.1.1 模态分析理论基础345.1.2 模态分析原理345.2 对机身进行模态分析355.2.1 自由模态描述分析355.2.2 约束模态描述分析375.3 本章小结43第六章 结论和展望456.1 总结456.2 展望45致谢47参考文献48V周鹏 JS-500精整压力机机身结构有限元分析及改进设计第一章 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
9、、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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，
15、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
