您所在的位置:首页 > 新闻动态 > 正文
新闻动态
联系我们

南通铭烽液压机械制造有限公司 

服务热线: 0513-81751288 公司传真: 0513-81751259

联系人: 张志冲 移动电话: 13962707009

联系地址: 江苏省如皋市白蒲镇前进工业园区

联系邮箱: mingzhenjixie@163.com

新闻动态

锻压机械结构分析总述

作者: 来源: 日期:2019-11-22 07:49:14 人气:0

机身在锻压设备中起重要作用,早期人们对机身的研究是采用材料力学的方法,计算出设备在公称压力下危险点的应力和机身的最大变形,再引入许用应力和许用变形,使其应力和变形低于设备许用应力和许用变形即可。由于这种方法不需要先进的设备,所以国内外绝大部分的压力机生产企业都使用这种方法。但是材料力学研究的对象主要是横截面积尺寸远小于轴线长度的杆件, 往往采用了一些关于变形的近似假设,如平面假设等,近似地求得所研究杆件在外力作用下的应力及变形,最后再加入许多人为的经验才能满足工程要求。将机身简化成材料力学中的杆件或杆件组合,其计算结果是非常粗糙的,很难说明问题。设计者为了保险,往往加大安全系数,结果使得设备非常笨重,既增加了成本,又浪费了原材料。在此基础上的优化,也不过是局部和近似的优化而已。并且在工程中更常见的不是杆件,而是形状非常复杂的结构,就很难用材料力学的方法来研究。机器中有很多零件的截面尺寸经常变化,如轴肩、切槽和油孔等。在这些截面上,实际应力与材料力学公式计算的结果相差很大。弹性力学研究的是理想弹性体在外力作用下的变形与应力。它所研究的变形从几何形状来说比较广泛,并不局限于杆,由于经典弹性力学要求的条件比较严格,以至于许多实际问题用经典弹性力学很难求解。而有限元法是对弹性力学的补充,弥补了经典弹性力学的不足,在机床结构的动力学方面得到了广泛的应用。

有限元法实际上是古典变分法的一种变体和发展,其基本思想——离散化的观点,早在二十世纪四十年代就已经提出来了。到了五十年代初,英国的一个航空系教授阿吉里斯Argysis和他的合作者打破了十年沉默的局面,使有限元成功地应用于结构分析问题。与此同时,美国教授克劳夫(R.W.Clough用三角形单元对飞机结构进行计算,并在 1960 年首先提出了“有限元法”的概念。此后的十年是有限元法在国际上蓬勃发展的十年。六十年代中、后期, 数学家开始介入对有限元法的研究,促使有限元法有了坚强的数学基础。我国著名计算数学家冯康早在 1956 年就发表了研究论文。1965 年英国教授辛克维O.C.Zienkiewicz及其合作者提出了有限元法可应用于所有场的问题。有限元法首先应用于航空工程,由于其方法的有效性,迅速被推广应用于造船、机械、动力、建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学、声学和振动学等领域,并伴随高速数字电子计算机的发展和有限元理论的研究得到迅速发展[13]

锻压机械的静态有限元分析主要是从上个世纪七十年代开始的,我国具有代表性的文章是文献[14],主要是根据 J23-80  型压力机机身左半部分的受力简图,利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应力,并求出机身的线刚度和角刚度,与实测和材料力学的计算值进行比较验证。随后这方面的研究逐渐增多,领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空间板系通用程序SPS 对闭式 40 吨数控回转头压力机机身进行计算,并把计算结果与实测结果进行了比较并找出存在误差的原因[15]。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[16]。王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[17]。王苏安等针对某厂 25 吨曲柄连杆式飞剪机机架使用中存在的问题,采用 ALGOR 软件对飞剪机机架进行了有限元分析和强度研究,得出了飞剪机机架的应力、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。并对飞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飞剪机架其性能比以前更[18]。李陪武等以 J53-1600 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[19]。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,使机身的结构更加合理[20, 21]。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[22]。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。

锻压机械的动态有限元分析主要是从八十年代开始的,主要集中在开式压力机和螺旋压力机,其中文献[23]是较早的一篇,文章主要对 J23-80  型开式压力机机身进行有限元剖析,并用 Wilson-θ法得出机身主截面的动应力和机身动态角变形,均比静态大 25%左右。到九十年代,随着数值模拟技术的引入,锻压机械动态有限元应用的广度和深度不断增加,接着李德军等以 J53-1600 型双盘摩擦压力机为对象,建立机身有限元模型,并将理论模态分析结果与模态试验结果进行比较,还模拟计算了冷击、锻击情况下压力机的振动响应,为摩擦压力机的动态设计提供一定的参考。对闭式压力机机身研究的文章有文献[24] 文章利用 MARC 软件对闭式压力机机身进行了三维有限元分析,并将计算结果与实测值进行比较,同时对机身进行了优化,提出了改进方案。最后还用 Lanczos 方法计算了机身的前十阶模态,分析了各阶模态对设备的影响,又对机身进行了进一步的优化,使机身的动态特性得到进一步的提高,为高速压力机的动态设计提供了非常有用的资料。

对于其它机床大件的研究,汤文成教授等根据机床结构件的特点,提出了用于机床大件结构拓扑生成的方法,并对结构进行了有限元分析后优化设计, 从而实现结构的自动设计,为结构件的几何尺寸优化和拓扑优化作了有益的尝[25]。谷祖强等应用“结构系统设计灵敏度分析”理论,把有限元分析和最优化技术有机结合起来,应用于机床结构件的优化设计,有效地提高了设计效率[26]。毛海军等将 BP 神经网络理论与有限元建模方法相结合,提出了采用 BP 经网络建立机床整机主要部件的动力学模型,并应用大型有限元分析软件ANSYS  APDL 进行 BP 神经网络样本的快速采样的方法。根据所提出的方法,建立了机床双 W 筋板床身的筋板位置、厚度与床身前 5 阶频率之间的 BP 神经网络模型,并以床身第 1 阶固有频率最高为目标进行了设计变量的自动搜索寻优计算且获得了满意的结果,表明神经网络理论与传统的数值方法相结合应用于实体结构的动态分析计算具有重要的现实意义[27]。徐燕申等提出数控机床大件结构设计元结构和基本框架的概念,把由床身筋板围成的栅格称为筋格, 床身的宏观构形为基本框架。筋格的动态特性直接影响机床床身的动态特性。

分别以筋格各边长、板厚和清砂孔径为设计变量,以筋格的固有频率为优化目标,进行有限元动态设计,得到相应的筋格的基频随设计变量变化的曲线图, 通过有限元分析,发现当床身的高度与宽度接近时,床身的动态特性较好。用有限元分析法对简化的床身结构动态特性进行研究,总结出对数控机床床身设计具有普遍指导意义的规律,可用于数控机床床身结构初步设计[28]

国外对于压力机的机身也有所研究,德国的 M.Neumann H.Hahn 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[29]。丹麦的 M.ArentoftM.Eriksen 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[30]

综上所述,在机床床身的研究的上,已从静态向动态上发展,而且应用了各种各样的技术。随着控制技术的提高,锻压机械向着高速度、高精度、高效率和轻量化的方向发展,机身设计从材料力学的机身危险点应力和机身最大变形的校核,到有限元的使用和数值模拟技术的引入对其进行模态分析和动态响应分析,使机身的设计水平有很大的提高,但还存在以下几个问题:

1. 建立的计算模型和实际结构差距较大。

2. 对机身静态的特性研究得比较多,对动态的研究得比较少;对低速设备研究得比较多,对高速的研究比较少。

3. 在设计上解决静态与动态的联合设计问题。

4. 在结构动力学优化设计中去除求解盲目性问题,应该比较清楚地研究其解的存在性与惟一性问题。

5. 只注重研究,不注重应用。特别是如何应用有限元法和数值模拟技术设计机身方面。


    标签:数控折弯液压机优化升级专题
    网站首页 | 关于我们 | 液压机 | 新闻动态 | 客户服务 | 技术资料 | 联系我们