250MN挤压机结构设计与优化毕业设计论文.doc

毕业设计（论文） 中文摘要II摘 要金属挤压加工是利用金属塑性压力形成的一种加工方法。它的本质是利用施加外力的方法，使处于剂压容器中的坯料承受三向应力而产生塑性变形，并从特定的缝或者孔隙中挤出，从而获得一定尺寸及截面形状挤压制品的压力成形过程。本课题的研究来源于重庆大学承担的中国重型机械研究院科研项目“250MN挤压机结构设计与优化”，任务是250MN挤压机关键零部件的强度校核与优化。挤压机中的关键零部件有前梁、后梁、动梁、主缸等，这些零部件的工作性能直接影响到挤压机的整体工作性能，因此要对其中一些关键零部件进行强度校核和优化。本课题通过提供原始图纸及参数，运用传统方法对挤压机前梁、后梁进行强度校核，然后用UG进行关键零部件的三维建模，并运用有限元分析工具ANSYS按照初步设计进行强度分析，得到挤压机主要零部件的应力情况。在初步设计的基础上，按照给定的安全系数，对结构进行优化。这主要通过增加梁高度来实现。最后可以得出结论：初始方案中前梁、后梁、动梁在结构上均存在有待提高的地方，部分零部件不符合强度要求。经过优化设计后，零件的主体结构均能达到强度要求，但在以后的设计中，应力集中区域还需要进一步优化。关键词:挤压机，有限元，优化设计，ANSYS毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTMetal extrusion is a processing method by using metal plastic pressure. An extrusion machine is a device which pushes or pulls the material in the extrusion containers through a shaped die to form a continuous length of product with a preset cross section. The material will be in state of hydrostatic pressure in the process. In this way, various profiles of products could be processed. This thesis is based on a research project undertaken by Chongqing University sponsored China National Heavy Machinery Research Institute with the title of “250 MN Extrusion Pres Design and its Optimization”. The tasks of this research are to verify strength of the key components and optimization. The key components in the extrusion press include front ridge, rear ridge, moving ridge, the hydraulic cylinder and so on. The performance of the designed components will directly affect the overall performance of the extrusion press, and therefore, its necessary to verify the strength and optimize structure. Based on the draft of design, the first step is to calculate the strength of the front ridge, rear ridge by traditional method. Then, 3D modeling is built in UG and analyze the structure in a commercial Finite Element Method (FEM) tool ANSYS. The stresses distributions of the key components are obtained. Based on the results of first design, the optimization of the structure is optimized according to the given safety factors. The problem can be solved by increasing material. Finally, the conclusions can be drawn: There are some structures can be improved in the initial design, and some regions cannot meet the strength requirements from the simulation results. However, the strength of the parts can meet the design requirements by optimization the structure. Also, the stress concentration regions should be optimized in the future design.Key words: Extrusion Press, Finite Element Method (FEM), Optimization, ANSYS目 录中文摘要英文摘要1绪论11.1 引言11.2 课题概述11.2.1课题来源和主要内容11.2.2选题的意义11.2.3国内外发展状况12前梁和后梁的强度及刚度校核32.1前梁的强度及刚度校核32.2后梁的强度计算83 挤压机关键零部件的强度校核及优化123.1 有限元法求解问题的计算步骤123.2主缸的强度校核133.2.1 主缸结构133.1.2主缸的强度计算143.3 压套的强度校核173.4 前梁的强度校核和优化设计193.4.1前梁的强度校核193.4.2前梁的结构优化243.5 后梁的强度校核及优化设计303.5.1后梁的强度校核303.5.2后梁的结构优化343.6 动梁的强度校核及优化设计383.6.1动梁的强度校核383.6.2动梁的结构优化424 结论47参考文献48501 绪论1.1 引言金属挤压加工是利用金属塑性压力形成的一种加工方法。它的本质是利用施加外力的方法，使处于剂压容器中的柸料承受三向应力而产生塑性变形，并从特定的缝或者孔隙中挤出，从而获得一定尺寸以及截面形状挤压制品的压力成形过程1。挤压加工在轿车、交通领域、大型客车、磁悬浮列车、铁路、地铁等领域都有着越来越广泛的运用。1.2 课题概述1.2.1课题来源和主要内容本课题的研究来源于重庆大学承担的中国重型机械研究院科研项目“250MN挤压机结构设计与优化”。课题任务主要有以下内容：（1）运用传统方法对挤压机后梁、后梁进行强度及刚度校核；（2）用UG进行关键零部件的三维建模，并运用有限元工具ANSYS按照初步设计进行强度分析，得到挤压机的主要零部件的应力情况，并对结构进行必要的优化。1.2.2选题的意义本课题重点研究内容为250MN挤压机关键零部件的静强度强度分析及其优化设计。挤压机中主要有挤压机主要构件有前梁、后梁、主缸、压套等。这些零部件的工作性能直接影响到挤压机的整体性能，因此要对其中的一些关键零部件进行校核和优化。对个人而言，由于毕业设计是综合运用有关理论和实践知识对零件进行强度校核及优化设计的一次重要实践。通过本课程设计，有利于我更好的掌握机械专业的有关知识，如机械设计、材料力学、有限元分析等等，同时也有利于提高自身的实践能力，为以后的工作打下良好的基础。1.2.3国内外发展状况近几年我国金属挤压机取得了巨大的发展。2002年，由西安重型机械研究所设计，上海重型机械集团公司制造的油泵直接传动、PLC及计算机控制的100MN挤压机研制成功。2005年，由西安重型机械机械集团制造的油泵直接传动的125MN挤压机在上海重型机械集团公司制造完成。国际上设计制造挤压机的知名公司有德国的SMS,DEMAG,日本的UGE，美国的SUTTON，法国的CLECIM等，而我国的太原重工，沈阳重工，上海重工，西安重型机械研究所等对挤压机的发展也起到了重要的推动作用。目前，挤压机的挤压力可达到200250MN，并开始设想350500MN挤压机的设计。在未来的发展趋势上，反向挤压、静液挤压技术等发展前景广阔2。计算机在在挤压生产的管理、生产工艺过程、提高生产率、产品质量控制等方面将发挥越来越重要的作用3。2 前梁和后梁的强度及刚度校核不考虑穿孔系统时，挤压机共有三个梁，即前梁、后梁及动梁。前梁、后梁及应力柱组成封闭的框架系统，承受着全部挤压力的作用。后梁上安装有液压缸，缸内的柱塞通过液压油的作用将力传到动梁，而挤压轴亦是安装在动梁上的，这样就将液压缸提供的液压力由挤压轴经锭坯，最终将力传给前梁。因此，挤压机的前梁和后梁将承受很大的作用力，需要对其进行强度校核。下面将用传统方法对挤压机的前梁和后梁进行强度校核。在进行强度计算时，需要作如下简化：（1）前后梁都看作简支梁，将均布作用力用集中力代替。（2）前梁结构对称于中间平面，载荷对称于轴对称或中间平面，空间框架结构简化为平面框架；这种简化计算方法适合用于粗略估算前后梁的强度，可以大致校核前后梁是否符合强度要求。2.1前梁的强度及刚度校核将前梁简化为简支梁计算时，支点间的距离应为宽边张力柱的中心距，并假设挤压力作用在模座与前梁中心圆环形接触面的重心上，近似取为D/处，D为圆环的直径。由零件图可知，D=1890mm。（1） 确定前梁的作用力。前梁的作用力可以分为如表3.1所示的几种情况：前梁作用力分类表表2.1类型前梁受力备注泵蓄势站传动泵直接传动为主缸力为穿孔力为侧缸力为挤压筒压紧力单动式FF+复动式挤压筒移动缸压紧力单动式复动式由于本课题中的250MN挤压机为复动式后置穿孔系统，泵直接传动。所以： (2.1)由前梁简化后的受力情况可求以出支反力、最大剪力、弯矩，并画出弯矩图及剪力图，从而判断危险截面的位置。前梁的受力简图如图2-1所示：图2.1 前梁的弯矩图和剪力图最大弯矩： (2.2)式中 D主缸法兰盘的环形接触面的直径；应力柱宽边中心距；由零件图可