闭式压力机组合机身的有限元分析及拓扑优化

摘要

随着机械制造业的不断发展，锻压机械被广泛应用于各个行业领域，特别是压力机使用最为广泛。为了满足生产的需求，我们不断的加深对压力机的研究与改进，而机身是压力机中结构最为复杂、使用材料最多、也是制造成本最高的部件，本文以J36-800为例，对闭式压力机组合机身进行研究。机身是整个压力机的重要的组成部分，该部件的质量对于整个压力机的工作性能起着重要影响。本论文利用大型有限元分析软件HyperWorks对机身进行有限元分析及拓扑优化，在保证机身强度和刚度的前提下，使其轻量化。
　　首先，利用SolidWorks软件按照机身的实际尺寸建立各个部件的三维模型，并对模型进行适当的简化，进行虚拟装配，然后将建立好的模型导入到HyperMesh中，进行几何清理，抽取中面，划分网格，严格控制网格质量，根据压力机工作的实际情况，建立边界条件，完成有限元模型的建立。其次，利用OptiStruct求解器进行静力学求解，得到机身的等效应力云图，了解了机身各个部位的受力情况；提取了压力机工作时的前六阶固有频率，分析了各阶振型对压力机工作的影响，为后续的拓扑优化奠定了基础。最后，以静力学分析为基础，利用OptiStruct模块对压力机机身进行拓扑优化，选取优化区域和非优化区域，以单元的密度为设计变量，以应力和体积分数为约束条件，并设置了三种不同体积减少比例，以体积最小和柔度最小为目标函数，进行四次拓扑优化，寻找最佳的材料布局，根据优化结果对压力机机身的结构进行修改，并对优化后的模型进行静力学和模态分析，对比优化前后压力机机身的特性，最终验证了优化后的压力机机身符合实际使用要求。
　　优化后压力机机身重量减少7.6％，实现了机身的轻量化，节约了成本。本文利用HyperWorks软件对机身进行有限元分及拓扑优化，对压力机机身的研究有一定的参考价值，同时也适用于其他产品的轻量化设计，可以缩短研发周期，提高企业的竞争力。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 机身结构优化设计的发展现状

1.3 本文的主要研究内容

2 拓扑优化原理

2.1 拓扑优化方法

2.2 拓扑优化迭代数学模型推导

2.3 拓扑优化数学算法

2.4 本章小结

3 有限元模型的建立

3.1 机身简介

3.2 三维实体模型的建立

3.3 有限元模型的建立

3.4 本章小结

4 静力学和模态分析

4.1 静力学分析

4.2 模态分析

4.3 本章小结

5 压力机机身的拓扑优化

5.1 OptiStruct优化的数学基础

5.2 OptiStruct优化设计流程

5.3 机身拓扑优化

5.4 拓扑优化结果

5.5 优化前后机身特性对比

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果

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