M300拉压弹簧试验机结构有限元分析与优化设计

摘要

弹簧试验机是通过被测弹簧在己知载荷作用下的变形量来测试其刚度的。为提高M300拉压弹簧试验机的测试精度，满足广大用户的需求，首要任务就是提高试验机的结构刚度，减小其横梁结构在工作载荷作用下的挠度。 本文完成了该试验机结构的有限元分析与优化设计，为本试验机结构设计质量的提高提供了理论依据。M300拉压弹簧试验机采用门式结构，最大拉压工作载荷为300kN。由于试验机结构为多个零部件组成的装配结构，各零部件之间既非刚接又非铰接，而是通过紧固螺栓、轴承等方式连接，各零部件之间存在大量接触问题。这就使该结构分析变成复杂的接触非线性分析问题，需要采用接触副单元并进行大量迭代计算；另外本试验机结构分析还存在螺栓连接的预紧力施加以及轴承连接的等效刚度、等效弹性模量等问题。本文研究成功的解决了以上问题，完成了该弹簧试验机有限元分析的建模工作。并利用有限元分析软件ANSYS对该试验机的2种最大试验载荷工况成功地进行了结构有限元分析，得到各工况下结构应力的分布和应力较大的危险点及各横梁的Y向变形量，即各横梁的挠度，为该试验机的结构优化奠定了基础。对本试验机的结构优化，厂方要求在试验机外围尺寸不变的前提下，寻求试验机内部结构的设计方案，以尽可能降低其横梁结构的挠度，为此，笔者根据结构不同部位尺寸对横梁挠度的影响以及结构应力分布选择合适的设计变量、约束条件及目标函数，建立该结构的优化设计数学模型；采用ANSYS与导重法相结合的结构优化方法，完成了试验机结构的构件尺寸优化设计。在结构重量不变和满足材料许用应力的前提下，试验机满载压力试验时，横梁、压盘Y向变形量由原来的0.320mm下降到0.199mm，下降37.8％；试验机满载拉力试验时，横梁、压盘Y向变形量由原来的1.372mm下降到0.290mm，下降78.9％。优化效果十分显著，成功完成了该弹簧试验机的优化设计任务。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

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第一章绪论

1.1前言

1.2结构有限元分析概述

1.3结构优化设计概述

1.4现代结构优化计算方法的发展与现状

1.4.1数学规划法和优化准则法

1.4.2序列数学规划法与近似概念

1.5本文的研究内容

1.5.1问题的提出

1.5.2本文的工作

第二章拉压弹簧试验机的概述

2.1 M300拉压弹簧试验机的总体构成

2.2 M300拉压试验机工作原理

2.3 M300拉压试验机主机组成

第三章优化前M300拉压弹簧试验机结构有限元分析

3.1弹簧试验机结构有限元分析的建模

3.1.1网格单元选取与材料特性

3.1.2几何模型的建立

3.1.3网格划分

3.1.4接触副

3.1.5螺栓预紧力

3.1.6轴承等效弹性模量

3.1.7加载与约束

3.2优化前试验机结构有限元分析

3.2.1工况1-最大压力试验工况

3.2.2工况2-最大拉力试验工况

3.3本章小结

第四章弹簧试验机结构调优

4.1机械结构设计基本准则

4.2试验机结构调优

4.2.1上横梁结构改进

4.2.2移动横梁结构改进

4.2.3底座结构改进

4.3改进后试验机结构有限元分析

4.3.1工况1-最大压力试验工况

4.3.2工况2-最大拉力试验工况

4.4本章小结

第五章结构优化数学模型处理、导重法与敏度分析

5.1结构优化设计的数学模型

5.2结构优化设计的数学模型处理

5.2.1归一化处理

2.2.2均方根包络函数

2.2.3数学模型的最终形式

5.3导重法

5.3.1重量约束结构优化设计的导重准则法

5.3.2导重的意义与迭代控制方法

5.3.3单约束最轻设计导重准则法

5.3.4库恩-塔克乘子的求法

5.4灵敏度分析

5.4.1灵敏度分析方法

5.4.2结构特征应力的敏度计算

第六章试验机结构尺寸优化设计

6.1结构尺寸优化设计的数学模型

6.2设计变量的选取

6.3约束条件

6.4结构尺寸优化方法-以ANSYS为分析器的结构优化导重法

6.4.1参数化语言APDL与ANSYS优化过程介绍

6.4.2以ANSYS为分析器的结构优化导重法

6.5试验机结构尺寸的优化迭代计算

6.6优化后试验机结构有限元分析

6.6.1工况1-最大压力试验工况

6.6.2工况2-最大拉力试验工况

6.7本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

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