液压金属打包机关键结构的有限元分析及优化设计

摘要

液压金属打包机是由箱体、液压油缸以及电磁控制系统组成的用于对废旧金属进行打包的大型工程机械。打包机箱体是液压金属打包机的重要组成部分，是废旧金属压缩成型的载体，也是液压油缸、箱盖、轴承等零部件的安装基础，它主要有底板、左右侧板以及前后侧板焊接组成。
　　本文以江苏华宏科技股份有限公司的生产的160t的小型液压金属打包机的箱体结构为研究对象，首先对箱体内的废旧金属受到压缩的过程建立了数学模型并对压缩原理进行了具体分析，然后结合液压油缸压缩废旧金属的实际工况，对废旧金属将载荷加载到箱体表面面上的压力以及液压油缸作用在箱体的另一个表面的反作用力进行了具体分析。利用有限元软件ANSYS对箱体结构的三种极限工况进行有限元分析，得出三种极限工况下应力较大和位移较大的危险点，并分别对左、右、前、后侧板以及底面主板进行三种极限工况下的有限元分析，得到各个主板的位移危险点和应力危险点。
　　由于打包机箱体主板采用墙板、横板和立板焊接组成，根据正交异性板的力学计算原理进行应力和位移计算，以箱体体积最小、结构最紧凑为目标，确定了设计变量、约束条件以及目标函数，建立了箱体结构优化的数学模型，运用MTLAB软件优化工具箱的遗传算法进行优化设计计算并得到了优化设计结果。根据工况调研将压力集中的位置布置密集的加强筋，压力较少的位置布置稀疏的加强筋，并使用ANSYS的APDL语言对新的箱体结构的设计方案建立参数化模型并进行有限元分析，然后根据应力分析及箱体结构选择合适的设计变量、约束条件及目标函数，建立优化设计的数学模型，完成箱体结构的尺寸优化设计。通过对解析法和有限元法优化设计的结果对比，证明箱体设计优化的正确性，将原来箱体的1.2m3下降到0.81m3，比优化前减少了32.5％，超额完成了预期降低20％的目标，为公司对液压金属打包机的改良优化提供了有效的借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景和意义

1．3 液压金属打包机的缺点分析及优化方法探讨

1．3．1 液压金属打包机的缺点分析

1．3．2 液压金属打包机的优化方法

1．4 160t液压金属打包机的结构简介

1．5 本课题的研究内容

1．5．1 问题的提出

1．5．2 本文的工作内容

第二章 液压金属打包机的工况及载荷分析

2．1 液压金属打包机结构简介

2．2 液压金属打包机的运动过程

2．3 液压金属打包机工作过程中的载荷分析及计算

2．3．1 国内外打包机压缩的力学模型简介

2．3．2 液压几十年打包机压缩的力学模型分析

2．3．3 液压金属打包机箱体的载荷分析

2．4 本章小结

第三章 液压金属打包机的参数化建模及有限元分析

3．1 有限元分析概述

3．1．1 ANSYS简介

3．1．2 ANSYS的参数化语言APDL概述

3．1．3 APDL语言编程

3．2 液压打包机箱体有限元分析的前期工作

3．2．1 打包机箱体结构有限元模型的建立

3．2．2 打包机箱体的模型网格划分

3．2．3 液压打包机箱体的边界条件

3．3 打包机箱体各个工作状态下的有限元分析

3．3．1 打包机箱体Z方向压力达到极限时的有限元分析

3．3．2 打包机箱体X方向压力达到极限时的有限元分析

3．3．3 打包机箱体Y方向压力达到极限时的有限元分析

3．4 箱体各个主板在单一载荷下的有限元分析

3．4．1 左侧主板在三种恶劣工况下的有限元分析

3．4．2 右侧面主板在三种恶劣工况下的有限元分析

3．4．3 前侧主板在三种恶劣工况下的有限元分析

3．4．4 后侧主板在三种恶劣工况下的有限元分析

3．4．5 底面主板在三种恶劣工况下的有限元分析

3．4．6 有限元分析结果探讨

3．5 本章小结

第四章 液压金属打包机箱体结构优化设计的数学模型

4．1 液压金属打包机的箱体结构分析

4．2 液压金属打包机箱体主板的结构模型转化理论

4．2．1 正交异性板的基本理论

4．2．2 正交异性板的力学分析

4．3 基于MATLAB的遗传算法工具箱的优化设计计算

4．3．1 MATLAB遗传算法简介

4．3．2 基于MATLAB的遗传算法工具箱的优化计算

4．3．3 液压金属打包机箱体各个主板的边界条件分析与计算

4．3．4 打包机箱体的设计变量选择

4．3．5 打包机箱体优化设计的目标函数

4．3．6 打包机箱体的约束函数

4．4 优化结果及分析

4．5 本章小结

第五章 打包机箱体结构的优化设计

5．1 优化设计概述

5．1．1 ANSYS的优化设计简介

5．1．2 ANSYS的优化设计

5．2 参数定义模块

5．2．1 参数选择

5．3 参数化有限元计算模型的实现

5．3．1 几何模型的生产

5．4 液压金属打包机箱体的结构优化设计

5．4．1 箱体优化设计概述

5．4．2 液压打包机箱体结构的优化设计方法

5．4．3 液压打包机箱体结构优化在ANSYS上的应用实现

5．4．4 优化结果分析

5．4．5 液压金属打包机箱体的优化结果校核

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢