注塑机锁模机构有限元分析和前模板优化设计

摘要

注塑成型在塑料成型加工中占有重要地位，注塑机是完成注塑成型的主要设备。锁模机构是注塑机的重要组成部分。拉杆是锁模机构的重要零件，拉杆的受力状况在锁模机构中是比较恶劣的，是最容易发生疲劳破坏的零件，应尽可能准确地给出拉杆的应力分布情况。模板是锁模机构中的又一重要零件，模板重量占注塑机总重的70％以上，其成本在注塑机总成本中占重要组成部分。当前的模板设计工作还是根据经验，采用类比法，参照同类型模板的尺寸和结构外形进行设计。以尽量节省材料而提高性能（或不降低性能）的原则对模板进行优化设计，具有重要意义。
　　 本文以某型800吨注塑机的锁模机构为研究对象，以有限元法和ANSYS软件为基础，开展了锁模机构有限元分析和前模板优化设计等工作。本文的主要内容有:
　　 1、阐述了基本研究背景，指出了课题研究意义，系统总结了前人在锁模机构有限元分析和模板优化设计等方面所做的工作，给出了论文的主要研究内容。
　　 2、对接触问题有限元法的基本理论进行了深入研究，为锁模机构有限元分析和前模板优化设计奠定了基础。
　　 3、对锁模机构进行运动学分析，给出了速比和力的放大比的计算公式，在此基础上对锁模机构有限元分析模型进行了简化。在ANSYS Workbench中完成了锁模机构有限元分析，获得了锁模机构变形、应力等的分布情况和拉杆所受拉力值的大小。
　　 4、提出了前模板优化设计总体方案。对连续体结构的拓扑优化理论进行了深入研究。完成了前模板的拓扑优化工作，根据拓扑优化区域的不同，共给出四种不同拓扑优化结果，对拓扑优化结果进行了深入分析。
　　 5、给出了前模板形状-尺寸优化方案和数学模型，提出利用计算机试验设计和分析方法来解决前模板的形状-尺寸优化问题。利用均匀设计给出了试验设计方案，利用Gaussian Kriging模型进行试验结果建模，对Kriging代理模型的预测性能进行了评价。给出了利用代理模型进行形状-尺寸优化的基本方法和流程，通过两个典型算例验证了其有效性和可靠性。完成了前模板在五种情形下的形状-尺寸优化工作。对优化结果进行适当修改后，得到了可供实际应用的新型前模板结构。对上述新型结构的有限元分析显示，优化效果是明显的。

目录

声明

CONTENTS

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 论文研究背景

1．1．2 论文研究意义

1．2 锁模机构有限元分析的研究现状

1．3 模板优化设计的研究现状

1．4 论文主要内容

1．5 本章小结

第2章 接触问题有限元法的基本理论

2．1 接触问题的数学模型

2．2 接触问题的求解过程

2．3 接触约束条件的引入

2．3．1 拉格朗日乘子法

2．3．2 罚函数法

2．4 接触界面离散

2．5 有限元求解方程的形成

2．5．1 利用拉格朗日乘子法

2．5．2 利用罚函数法

2．6 本章小结

第3章 锁模机构有限元分析

3．1 锁模机构运动学分析

3．2 锁模机构有限元分析

3．2．1 分析目的和方案

3．2．2 几何模型简化与导入

3．2．3 接触问题设置和网格划分

3．2．4 施加边界条件和载荷

3．2．5 求解和后处理

3．3 本章小结

第4章 前模板拓扑优化

4．1 前模板优化设计总体方案

4．2 连续体拓扑优化基本理论

4．3 前模板拓扑优化

4．3．1 拓扑优化区域和参数

4．3．2 拓扑优化结果分析

4．4 本章小结

第5章 前模板形状-尺寸优化

5．1 前模板形状-尺寸优化方案

5．2 计算机试验设计和分析

5．2．1 试验设计

5．2．2 试验结果建模方法

5．3 前模板形状-尺寸优化

5．3．1 试验设计方案

5．3．2 试验设计点仿真

5．3．3 Kriging模型的构建

5．3．4 Kriging模型预测性能评价

5．3．5 利用代理模型进行形状-尺寸优化的基本方法

5．3．6 算例1

5．3．7 算例2

5．3．8 前模板形状-尺寸优化结果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢