基于ANSYS的液压闸式剪板机机架的优化设计

摘要

我国的许多剪板机都存在体积庞大、质量过重等问题，给运输、安装带来了很多困难。由于剪板机结构复杂，很难对其刚度和强度进行直接计算，因此有必要对剪板机进行仿真模拟，寻找符合实际的优化方案，以减轻重量，方便运输、安装、节约成本。本文以QC11Y-8×3100型液压闸式剪板机作为研究对象，通过结构参数设计计算，运用有限元分析方法从剪板机参数化模型的建立、剪板机静力学性能分析、剪板机机架模态分析、剪板机机架优化设计等几个方面进行研究。　　本文首先介绍剪板机的组成及工作原理，计算剪板机的力学参数，对机架和上刀架的受力状况进行了分析，为剪板机有限元分析提供数据；再进行液压系统的设计与计算，确定相应的液压元器件；运用SolidWorks建模软件对剪板机进行参数化建模，并运用简化原则将简化后的模型导入到有限元软件中进行有限元分析。　　通过对剪板机模型进行静力学性能分析，了解了剪板机各部件之间的应力分布及位移关系。通过对机架和上刀架添加移动分布载荷模拟剪切过程，分析各剪切位置应力应变分布规律，并验证剪板机的刚度和强度，通过与实际情况的对比，发现剪板机的机架部分有很大的优化空间。　　为检验模型的稳定性与可行性，还需要对模型进行模态分析，本文主要对剪板机机架进行模态分析，验证剪板机机架的振动特性，提取剪板机的前十阶固有频率及振型，分析各振型对剪板机工作性能的影响，找出容易产生疲劳的区域，为下一步的优化设计奠定基础。　　根据剪板机静力学分析以及模态分析的结果，对剪板机机架进行结构优化，以轻量化为优化目标，分别采用了两种优化方案：一种是尺寸优化设计；一种是拓扑优化设计。通过对两种优化方案进行对比，结合实际工作情况，拓扑优化为更适合的优化方案。在保证剪板机结构刚度、强度的情况下对剪板机的结构进行合理优化，可以减小剪板机得重量，为今后剪板机的优化设计提供了一种方便可行的方案。

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摘要

ABSTRACT

Contents

1 绪 论

1. 1 课题背景

1.2 剪板机的发展趋势及国内外研究现状

1.2.1 剪板机的发展趋势

1.2.2 剪板机的研究现状

1. 3 课题的研究目的和意义

1. 3. 1 课题的研究目的

1.3.2 课题的研究意义

1. 4 课题的研究内容

1.4.1 本课题的主要研究工作

1.4.2 本文的主要章节安排

2 液压闸式剪板机结构参数计算及模型的建立

2.1 液压闸式剪板机的剪切原理和特点

2.1.1 液压闸式剪板机的剪切原理

2.1.2 液压闸式剪板机的特点

2.2 液压闸式剪板机的组成

2.2.1 机架

2.2.2 上刀架

2.2.3 压料装置

2.2.5 传动装置

2.3 液压闸式剪板机结构分析

2.4 液压闸式剪板机技术参数

2.5 液压闸式剪板机主要参数的计算与选择

2.5.1 剪切角Φ的选择

2.5.2 剪切行程的计算

2.5.3 剪刃尺寸的计算

2.5.4 剪切力的计算

2.5.5 压料油缸的压紧力的计算

2.5.6 主副油缸对上刀架的推力的计算

2.6 液压系统部分的计算与校核

2.6.1 油缸主要参数计算

2.6.2 液压泵的规格的计算

2.6.3 电动机功率的计算

2.6.4 油箱容量的计算

2.6.5 压料油缸的有效直径的计算

2.6.6 返程油缸的计算

2.6.7 蓄能器的计算

2.7 剪板机三维模型的建立

2.8 本章小结

3 液压闸式剪板机的静力学性能分析

3.2 有限元方法及步骤

3.2.1有限元方法

3.2.2有限元分析步骤

3.3 ANSYS Workbench软件简介

3.4 液压闸式剪板机有限元分析

3.4.1 液压闸式剪板机模型的建立

3.4.2 网格的划分

3.4.3 边界约束条件及加载说明

3.4.4 有限元结果分析

3.5 剪板机关键部位刚度分析

3.5.1 关键部位应变结果分析

3.6 本章小结

4 液压闸式剪板机机架的模态分析

4.1 模态分析理论基础

4.2 模态的提取方法

4.3 模态分析的步骤

4.3.1 建立模型

4.3.2 加载及求解

4.3.3 扩展模态

在模态分析中，主要就是获得结构的振动特性，因此扩展模态就是将振型结果保存到结果文件中。因为在ANSY

4.3.4 结果后处理

4.4 剪板机机架的模态分析

4.4.1 建立剪板机机架的模态分析有限元模型

4.4.3 剪板机机架的模态计算结果分析

4.5 本章小结

5 液压闸式剪板机机架的优化设计

5.1 优化设计的理论基础

5.1.1 优化设计概述

5.1.2 优化设计的数学模型

5.1.3 主要优化方法

5.1.4 优化设计的步骤

5.2 剪板机机架的拓扑优化设计

5.2.1 机架拓扑优化过程

5.2.2 建立拓扑优化模型

5.2.3 指定机架优化区域

5.2.4 机架拓扑优化参数设置

5.2.5 机架拓扑优化结果分析

5.3 剪板机机架的尺寸优化设计

5.3.1 机架尺寸优化设计模型

5.3.2 尺寸优化参数设置

5.3.3 机架结构尺寸优化及结果分析

5.3.4 尺寸优化后模型的结构分析

5.4 优化方案的比较与选择

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况