本科生毕业设计 毕业设计题目J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计 学 生 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 指 导 教 师 完 成 日 期 2014年 6 月 2 日 中文摘要有限元分析和结构优化等CAE技术的应用，对于缩短产品开发周期，提高产品质量，降低制造成本，增强企业竞争力具有重要意义。本论文以压力机机身为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具，进行有结构静态分析、结构优化设计以及模态分析。 首先，采用四面体实体单元建立机身的三维有限元模型，对压力机机身结构和受力特点进行分析，确定其载荷分布和约束，分析计算有限元模型，得到机身的应力与应变分布规律。校核机身部件的强度和刚度，并且根据分析的结果进行结构优化设计,通过较传统的人工优化找出了比较合理的结构，用加厚材料来矫正变形量过大的问题，用去除受力或变形小区域的材料来减轻质量等。其次，运用ANSYS Workbench进行模态分析，分析其固有频率以及对应的振型。了解该压力机的模态特征和动态特征，为结构的动态设计和改进提供了理论依据和基础。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，优化设计，模态分析AbstractThe application of finite element analysis and structure optimization of CAE technology, to shorten the product development cycle, improve product quality, reduce manufacturing cost, is of great significance to enhance the competitiveness of enterprises. The press frame as the research object, using finite element analysis software ANSYS as the analysis tool, a structural static analysis and modal analysis, structure optimization design.First of all，to establish a three-dimensional finite element model of the frame using tetrahedron solid element, the press frame structure and force characteristics of the analysis, to determine the load distribution and constraints, calculation and analysis of finite element model, to get the stress and strain distribution. Check the strength and stiffness of body parts, and the structure optimization design based on the analysis of the results, a reasonable structure has been found by artificial optimization than traditional, with thicker materials to correct excessive deformation problem, remove stress or deformation small region of the material to reduce quality etc.Secondly, the use of ANSYS Workbench analysis of modal analysis, the natural frequency and the corresponding vibration mode. Understand the modal characteristics of the press and the dynamic characteristic, has provided the theory basis and the foundation for dynamic design and structure improvement.Finally, the research contents of the thesis are summarized and prospects.Keywords: Press, finite element analysis, optimization design, modal analysis 目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 国内外压力机发展状况11.1.1国外压力机发展状况11.1.2国内压力机发展状况11.2 有限元分析方法21.2.1 有限元理论21.2.2 有限元分析软件的简介31.2.3 机身结构设计中的有限元运用41.3 课题来源及选题的目的和意义41.3.1 课题来源41.3.2 选题的目的和意义41.3.3 课题研究的内容和解决的问题5第二章 压力机机身的静态分析72.1 机身简介72.2.1 单元类型的选择82.2.2 网络的划分92.2.3 边界条件的施加102.2.4 材料特性112.3 计算结果分析112.3.1 应力和变形要求112.3.2 应力和变形图形显示122.3.3 应力分析152.3.4 变形分析152.4 本章小结15第三章 机身结构的改进163.1 优化分析163.2 优化方案一163.3 优化方案二183.4 优化方案三203.5 优化方案四223.6 选择最佳方案243.7 本章小结25第四章 机身的模态分析264.1 模态分析概述264.1.1 模态分析理论基础264.1.2 模态分析原理264.2 对机身进行模态分析274.2.1 自由模态分析274.2.2 自由模态描述314.2.3 约束模态分析314.2.4 约束模态描述354.3 本章小结36第五章 结论和展望375.1 结论375.2 展望37致谢39参考文献40IV陈建平 J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计第一章 绪论1.1 国内外压力机发展状况机械行业是国民产业中极其重要的基础行业1。随着我国国民经济的快速发展，各行各业对压力机需求也越来越多，国内国际市场竞争非常激烈。随着现代科学技术的快速发展，机械行业正从以机器为特征的传统技术时代向着高速化、高精化和柔性化的信息时代发展，即利用当代高科技信息来装备传统的机械行业2。我们运用有限元分析技术对高速压力机进行结构分析并给出优化方案。来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。1.1.1国外压力机发展状况高速压力机的发展将近有100年的历史。1900 年德国的舒勒(SCHULER)压力机公司发明生产出世界第一台自动化压力机3。美国亨利特公司在 1910 年首创四柱底传动结构的高速压力机，当时称为 dieing machine4。在 1955 年以前该机为高速压力机的代表机型。以后随着电机和电器工业的发展，各国纷纷研制高速压力机。1953 年德国舒勒公司生产出 1250kN 闭式双点压力机，行程 20mm，行程次数达到 150rpm5。后来美国明斯特（MINSTER）公司推出的 Pulsar 系列超高速压力机以及日本会田公司引进瑞士布鲁德勒公司技术生产AIDA-BRUDERER系列 BSTA 型高速压力机和 PDAL 系列高速压力机也均采用了上传动方式，不但提高了动态精度，也在一定程度上减少了噪声6-7。随着科学的发展，技术的革新，压力机的品种越来越多，质量越来越好，压力越来越大，精度也越来越高。目前世界上能够生产出一流压力机的主要国家都是传统的制造强国，其中以日本、美国和德国为主。现在和日本、德国并称为世界三大高速压力机生产基地58。世界上已经能够设计生产出最大压下能力为60000KN 的单动压力机、最大压下能力为 32000KN 的双刀压力机以及最大压下能力为85000KN 的多工位压力机9。1.1.2国内压力机发展状况国内高速压力机是上世纪 80 年代开始从国外引进技术而发展起来的。目前，生产高速压力机的主要厂家有上海第二锻压机床厂、厦门锻压机床有限公司、诸城锻压机床股份有限公司、宁波机床厂和江苏扬力集团等。我国第一台高速压力机是在 1982 年由济南铸锻机械研究所和北京低压电器厂共同研制的。该压力机公称力为 600KN，最高的速度可达到 400 次/min。随后又成功研制了公称力 300KN，最高速度 600 次/min 的高速精密压力机。跨入 21 世纪后，国内企业中徐州锻压机床厂的高速冲床生产开始形成规模，先后研制成功了 JF75G 系列闭式高速压力机和 V H45 开式高速精密冲床，其冲压速度分别达到 600 次/min 和 1200 次/min10。目前，由于国内材料技术和机械加工技术与国外先进技术存在差距，国内高速压力机的发展也受到了相应的制约。其中差距主要表现在高速压力机的可靠性和加工精度上，在高精度的加工领域内缺乏竞争力；国内的自动控制与补偿技术还未较好的应用于高速压力机中，使国内产品精度相对先进技术较低；由于国内高速压力机产品主要通过引进技术生产和自我研发较少，故而国内压力机品种和规格较为单一11-13。1.2 有限元分析方法1.2.1有限元理论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。有限元的创立与科学的发展和工业界需求相关。1953 年，Ray W.Clough 在波音公司分析三角形机翼振动时，将机翼分成很多片小三角形板，计算的机翼结构挠度与小比例模型试验数据吻合是有限元的雏形。1955 年，John H. Argyris 提出矩形单元。1956 年，第一篇有限元文章发表，正式拉开了有限元发展的历史14