廣陵學院畢業(yè)設計（論文）開題報告 學 生 姓 名： 學號： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動機化 設計（論文）題目： JS-500精整壓力機 機身 結構 有限元分析及改進設計 指 導 老 師： 2014 年 3 月 20 日 2 畢業(yè)設計（論文）開題報告 1、結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 1.1 課題研究的目的和意義 1.1.1 壓力機的概述 壓力機是一種通用性設備，可以廣泛的應用于粉末、陶瓷、橡膠、磁材、金屬、復合材料等的壓力成型以及各種機械、汽車裝配線上零部件的壓裝等工作。 但長期以來我國壓力機的設計和制造水平比較低，存在著其壓力、位置等參數(shù)的控制基本上還是手動或模擬量的調整，自動化水平低，壓機間及壓機與上位機間無法進行通訊，液壓回路控制簡單 ，床身結構為經驗設計等缺點，無法滿足高精度壓裝制造業(yè)的需求，與金屬切削設備相比，其伺服化、數(shù)字化的開發(fā)進程落后數(shù)十年。特別是近年來，我國汽車工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，從而帶動著整個制造業(yè)的振興，而在各種汽車零部件的制造和裝配過程中離不開壓力機械的使用，壓力機的市場需求在逐年增加，同時舊的壓力機也隨著產品技術要求的提高而需要更新。 因此，該機的研制成功與大量使用對于提高壓裝質量及降低操作者的勞動強度將起到重要的作用。也必將對于提升我國壓力機的裝備水平及至整個國民制造業(yè)有著深遠的意義 1。 機械壓力機是利用 曲柄滑塊機構將電動機的旋轉運動轉變?yōu)榛瑝K的直線往復運動對坯料進行成形加工的鍛壓設備。能進行各種沖壓工藝以直接生成半成品或成品 2。在所有的鍛壓設備中，機械壓力機所占比例高達 80%以上 3。 精整壓力機是一種精密、高速、高效的精密整形拉深壓力機，設備采用六連桿機構并進行了優(yōu)化設計，使該設備既具有類似于液壓機的運動特性曲線，又具有較快的行程次數(shù) 4。 1.1.2 國內外壓力機的發(fā)展 3 目前我國壓力機機身的設計至今大多沿用經驗、類比的傳統(tǒng)設計方法，設計出的床身不僅性能差，結構笨重，速度、精度提不高，而且設計周 期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國產壓力機在高檔次壓力機領域內無法與國外壓力機相抗衡。隨著中國加入 WTO，中國的機床制造企業(yè)的形勢將變得更加嚴峻，并面臨更為強大的競爭對手，為此，中國的壓力機制造企業(yè)必須改變原有的傳統(tǒng)設計方法，以先進的設計制造手段作為技術支撐，來提高我國壓力機的設計與制造水平，在新的市場環(huán)境中積極參與競爭。隨著 CAD/CAM/CAE 技術的日益普及和應用，有限元方法等現(xiàn)代結構分析方法已為工程技術設計人員廣為認識和發(fā)展，在機床設計中得到廣泛的應用，并取得了顯著的技術經濟效益 5。 自 改革開放以來，我國國民經濟得到了穩(wěn)定高速的發(fā)展，液壓技術已廣泛應用在冶金、工業(yè)設備、汽車、工程機械、船舶、飛機、潤滑系統(tǒng)等各個領域 6。 近年來，由于我國國民經濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對壓力機特別是新型壓力機的需求越來越多，國內國際市場競爭非常激烈。世界許多壓力機生產廠家都把精力集中在開發(fā)高速度、高精度的壓力機上。我國目前對壓力機機身的設計長期以來還沿用經驗、類比的傳統(tǒng)設計方法，設計出的床身不僅性能差，結構笨重，速度、精度提不高，而且設計周期長，制造成本高，更新?lián)Q代慢，這些問題使得國產壓力機在高檔次壓力機領 域內無法與國外壓力機相抗衡。隨著電子技術、計算機技術與機床分析技術的結合，要求我們引入現(xiàn)代設計理念與手段，利用有限元法進行靜態(tài)、動態(tài)特征的計算，對新型壓力機機身作全面的分析優(yōu)化。同時，對壓力機的優(yōu)化方法進行探索，實現(xiàn)真正意義上的設計7。 目前國內外大多數(shù)使用的壓力機一般都采用不可調速的交流異步電動機進行驅動，這種驅動方式需要一整套的轉換機構將旋轉運動轉換成所需要的直線往返運動，同時為了減小電動機的功率，還在傳動系統(tǒng)中設置了飛輪，這種傳動系統(tǒng)成本較低，但是體積笨重，變速難度大 8。 國外對于壓力機的機身 也有大量的研究，德國的 Neuman M.和 Hahn.H建立了機械壓力機的三種不同復雜程度的工程模型，并通過實驗進行驗證模型的參數(shù)，從而對壓力機進行計算機仿真和動態(tài)設計。丹麥的 M.Arentoft,M.Eriksen 和 T.wanheheim 設計了一種壓力機實驗來確定了壓力機的六個剛度，從而為壓力機的設計提供了有益的幫助 9。 4 日本作為世界上資源最稀缺并且消耗最大的國家之一，他們的工程技術人員對節(jié)能技術的研究一直處于世界先進水平。作為日本非常有影響力的企業(yè)，口本第一電氣株式會社從 20世紀 80年代末就開始對直驅式 電液伺服系統(tǒng)進行研究，取得了一系列的研究成果，己經在開始在工程設備中使用 10。 目前世界鍛壓設備的發(fā)展趨勢是 :集機械、電子、液壓、氣動及檢測等方面的最新技術于一體，自動化程度高、換?？焖佟⒐ぷ骺煽?、噪聲低、防護完善、精度高。近年來又發(fā)展了數(shù)控系統(tǒng)，能和電子機算機、工業(yè)機器人、自動換模系統(tǒng)及自動倉儲等相結合，構成多種系列的柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)，并向現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)方向發(fā)展 11。 1.2 有限元的應用 1.2.1 有限元 簡介 有限元法 (Finite Element Method)簡稱 FEM，產生于 20世紀 40年代。此前，工程中解微分方程的數(shù)值方法主要是差分法。由于航空工業(yè)發(fā)展的需要，對飛機的結構要進行精細的設計與計算，以減輕質量、提高強度等，這就推動了結構力學的發(fā)展，出現(xiàn)了矩陣力學分析方法。 R.W.Clough (1960年 )在分析彈性力學問題時首次提出有限元方法的名稱。馮康等 (1964年 )也提出了類似的有限元方法及變分原理。此后，有很多的工程師在土木工程、機械工程等各個領域嘗試采用有限元方法分析彈性力學問題、流體力學問題、傳熱問題等，推動了有限方法的蓬勃發(fā)展。 1967 年， ZienkiewiczOC 和 Cheung最早出版了有限元分析的專著。 1972年， J.T.Oden出版了非線性連續(xù)體的有限元專著。有限元方法的出現(xiàn)，不但使過去想分析而無法分析的問題得到很好的解決，也使各類問題計算結果的精度大大提高，同時引發(fā)了計算數(shù)學的革命，帶動了其他學科的發(fā)展。據估計，目前國際上，有 90%以上的機械類產品、土木工程結構要采用有限元分析方法進行分析 ， 有 70%的科技文獻中會采用有限元作為分析工具 12。 李明典等用有限元法分析了錘桿在對中和偏心載荷作用下應力沿錘桿的分布，探討了不同偏心、加速度和材質對錘桿動應力分布的影 響，為錘桿的改進設計提供有用的理論依據 13。土俊領通過對軋機機架的有限元分析，找出了危險點的位置，確定了極限安全系數(shù) 14。土蘇安等針對某廠 25 噸曲柄連桿式吃剪機機架使用中存在的問題，采用ALGOR軟件對吃剪機機架進行了有限元分析和強度研究，得出了吃剪機機架的應力、 5 應變分布，找出了薄弱環(huán)節(jié)，并應用電阻應變儀在現(xiàn)場作了多點測試，其理論值和實際測試值吻合較好。并對吃剪機架提出了改進措施，對改進后的機架又進行了有限元分析。實踐證明通過改進的曲柄連桿式吃剪機架其性能比以前更好 15。李陪武等以 J53-160。型雙盤摩擦壓力機為例，較為全面地分析了中心載荷、扭轉載荷和偏心載荷對機身強度和剛度的影響，提出了允許偏載域的概念及一些解決問題的方法與設計準則 16。史寶軍、管延錦等對壓力機的強度和剛度進行了研究，并結合機身的結構特點，分別采用了許多措施，使機身的結構更合理 1718。史寶軍等主要對 J21-160型開式壓力機機身進行有限元分析和結構優(yōu)選，取得了既減輕重量又提高強度、剛度的顯著效果。這說明鍛壓機械的有限元分析已從原來的應力和變形分析走向結構的靜態(tài)優(yōu)化 19。 ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁 場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上計算機輔助工程行業(yè)中最大公司之一 ANSYS 公司開發(fā) 20。 1.2.2 有限元的發(fā)展與現(xiàn)狀 有限元的的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假象的離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體。實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程進度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。有限元的概念早在 40年代就被人提出，但是由于當時計算機尚未出現(xiàn)而沒有被重視。直到 60年代有限元法才發(fā)展起來，是計算機的產物 。美國克勞夫教授運用三角形單元對飛機結構進行了計算，并在 1960年首次提出了 “ 有限單元法 ” 這一名稱 21。我國的馮康教授在 1956年中發(fā)表的論文中也提到了有限單元法。自從 1965 年“ 有限元 ” 這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元方法在工程上得到廣泛應用，已經經歷了四十年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經日趨完善。近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析 計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源、科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發(fā)生了質的飛躍。 隨著電子計算機速度、容量的提高 ,商品化有限元程序越來越廣泛地被人們所接受 ,人們不必再在編寫程序上花費大量的精力。不僅如此 ， 商品化有限元程序的發(fā)展 ,還使 6 用戶能夠擺脫手工網格劃分、逐點輸入結點坐標和單元聯(lián)接信息 。 而且通過屏幕菜單方式得到了良好的人機對話環(huán)境和在計算結果分析上鮮明的視覺效果。目前的商品化有限元程序一般分為 3個部分 ， 即前處理部分、處理部分和后處 理部分。它們通過互交式計算機圖形集中到 CAD /CAM系統(tǒng) 22。 通過對壓力機機身進行有限元分析后，對強度、剛度相對薄弱的局部結構進行改進23。 隨著計算機與有限元軟件的發(fā)展，用有限元法對零部件進行受力分析校核逐漸取代了原有的經典材料力學的危險截面計算法。通過測試證明，有限元法計算結果誤差更小，能夠為設計人員提供更為可靠的參考依據。近兩年來，采用有限元分析法對機床在設計開發(fā)階段的關鍵零部件進行及時分析校核，為零部件的反復優(yōu)化改型設計提供了重要參考依據，使機床在生產加工前，其零部件強度和剛度己經有了較 好的控制，極大減少了返工率 24。 有限元方法的一些發(fā)展趨勢： 1.與 CAD 軟件的無縫集成 2.更強大的網格處理能力 3.由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 4.由單一結構場求解發(fā)展到耦合場問題求解 5.程序面向用戶具有開放性 25。 參考文獻 1 雷小寶 .新型數(shù)字化壓力機的研制 D.合肥工業(yè)大學， 2007.10 2 梁建軍 .伺服壓力機交流永磁同步電機驅動系統(tǒng)的研發(fā) D.華南理工大學， 2011.06 3 董建興 .壓力機再制造關鍵技術及實例研究 D.山東理工大學， 2013.04 4 張新國，韓杰，孫林，馮濤 .大噸 位精整壓力機快速返程時慣性沖擊原因分析及對策J.江蘇揚州：揚州捷邁鍛壓機械有限公司， 2012 5 張祖芳 .開式壓力機機身的有限元分析及其優(yōu)化設計 D.東南大學， 2004.03 6 沈文軒 .檢測壓力機的開發(fā)與研究 D.廣東工業(yè)大學， 2013.05 7 周平 .新型壓力機機身有限元分析和優(yōu)化 D.南京理工大學， 2007.06 8 吳凡 .直流伺服電機驅動的壓力機設計和研究 D.蘇州大學 ,2011.11 9 任翠鋒 .YH30-400液壓機機身結構的有限元分析與優(yōu)化 D.合肥工業(yè)大學， 2009.04 10 王漢杰 .壓力機用直驅式電 液伺服系統(tǒng) D.河南科技大學， 2011.04 11 于曉紅 .我國鍛壓行業(yè)近況及前景淺析 J.江蘇揚州：揚州捷邁鍛壓機械有限公司， 7 2011 12 丁科，陳月順 .有限單元法 M.北京 :北京大學出版社， 2006. 1 13 李明典 .錘桿應力的有限元分析 J.鍛壓機械， 1986 (2) : 15-17 14 土俊領 .4200MM軋機機架三維有限元分析 J.重型機械， 1996 (3) : 35-39 15 土蘇安 .曲柄連桿試吃剪機機架的有限元分析 J.冶金設備， 1999 (2) :11-13 16 李陪武，謝春雷 .J53-1600型雙盤摩擦 壓力機機身有限元分析 (I)(II)R 17 史寶軍，鹿曉陽，藍靜等 .J21系列壓力機機身強度剛度計算與分析 J.鍛壓機械 .1993(2):34-35 18 管延錦 .閉式組合機身強度和剛度的研究和優(yōu)化 D:碩士論文 .山東 :山東工業(yè)大學機械系， 1994 19 史寶軍，豐向軍 .JB21-160型開式壓力機機身有限元分析及結構優(yōu)選 J.鍛壓機械，1993 (2) 7-10 20 余聯(lián)慶，梅順齊，杜利珍，饒成 .ANSYS在結構優(yōu)化設計中的應用 J.中國水運，2007.03 21 Jeffrey M.Steel.Applied Finite Element ModelingJ.New York: Eastan KodakCompany Rochester， 1989 22 張晉紅，吳風林 .有限元法及其應用現(xiàn)狀 D.山西：太原理工大學機械工程學院， 2003 23 張祖芳，仲太生，許超 .開式壓力機機身輕量化設計研究 D.南京：東南大學， 2003 24 何彥忠，林雅杰 .壓力機門式機身有限元分析與校核方法 J.江蘇揚州：江蘇揚力集團精密機床研究所， 2013 25 蔣晨 .基于有限元技術的板材加工機械優(yōu)化設計與分析 D.南京：東南大學， 2005 8 畢業(yè)設計（論文）開題報告 2、本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 2.1 課題的來源 本課題來源于揚州捷邁鍛壓機械有限公司。 JS-500精整 壓力機為國內首創(chuàng)半開、半閉式壓力機， JS-500 精整 壓力機是該公司根據市場需求而開發(fā)研制的產品 ,專門用于鍛壓汽車零部件而生產的， 適于薄板的沖載、成形、彎曲、校正、拉深和整形等各種冷沖壓工藝。 要求我們運用有限元分析技術，對 JS-500 精整 壓力機進行結構分析并給出優(yōu)化方案。通過本課題的研究 ,為提高壓力機產品的性能，質量和壽命，降低產品成本提供科學計算分析的 依據，增強其產品在市場的競爭力。 2.2 研究的問題 運用有限元分析軟件 ANSYS 對 JS-500精整壓力機 進行有結構靜態(tài)分析、模態(tài)分析以及結構優(yōu)化設計。利用靜態(tài)有限元分析，校核液壓機機身部件的強度和剛度，并且根據分析的結果進行結構優(yōu)化設計以達到降低生產成本，提高經濟效益。模態(tài)分析可以求出機身振動的固有頻率以及相應的振型，分析各種振型對壓力機工作狀態(tài)的影響。這對于了解液壓機現(xiàn)有結構的力學特性以及進而改善其結構有重要的意義，為壓力機的設計提供了理論和現(xiàn)實依據。主要內容有： (1).前期準備： 收集相關資料， 查閱中外文獻、請教老師和同學討論。 學習有限元分析軟件，有限元建模、邊界條件的確定、載荷模擬及結構應力應變場的分析及優(yōu)化設計等現(xiàn)代設計方法。 (2).對 JS-500精整壓力機機身進行三維實體建模； (3).了解 JS-500精整壓力機工作性質和工作狀態(tài)；對其進行工作載荷分析，確定邊界條件及加載方案 (4).劃分網格，進行有限元結構靜態(tài)分析，求出機身的應力和應變分布規(guī)律，評價載荷對壓力機工作性能的影響； 9 (5).根據分析結果，在應力集中危險區(qū)域采取措施