摘 要

液压机是一种利用液体传动实现各种压力加工工艺的机器，而液压机机身则是其非常重要的基本部件。采取传统液压机机身设计方法得到的机身往往存在着结构冗余、材料使用过于保守的弊端，导致液压机结构重量大、成本高，对液压机产品的竞争带来了负面影响。因此结合现代设计及分析手段对液压机机身整体及部件设计进行新的设计与优化变得日益重要，所得结果对于提升液压机的工作性能具有重要的指导意义。

论文以有限元软件作为工具,针对Y28-500T双动拉伸机机身进行有限元分析，了解整体结构的受力特点和关键部件的应力状态，根据分析得到的应力、应变结果对其初始设计进行改进,提出液压机的重要部件的结构尺寸设计方案。在优化各个主要部件之后,再对液压机整体结构,即对上、下横梁和立柱等组成的框架进行模态分析，最终为三梁四柱式液压机的优化设计提供参考依据。

研究结果表明：利用有限元分析软件对液压机机身框架结构进行应力、应变及模态分析,确定机身结构的应力集中部位及薄弱环节，求出液压机机身固有振动频率和相应振型,对于提高液压机工作性能及解决液压机振动问题有重大的借鉴意义。

本文的特色：利用计算机实体建模软件与有限元分析软件结合的方法，以具体型号的液压机为载体展示新的液压机机身的分析与优化过程。

关键词：液压机机身；有限元分析；静态结构分析；模态分析；优化设计

Abstract

The hydraulic press is a machine that uses liquid transmission to achieve various pressure processing processes, and the hydraulic machine body is a very important basic component. The fuselage obtained by the traditional hydraulic machine body design method often has the disadvantages of structural redundancy and material use is too conservative, resulting in heavy weight and high cost of the hydraulic machine, which has a negative impact on the competition of hydraulic machine products. Therefore, it is increasingly important to design and optimize the overall design and optimization of the hydraulic machine body in combination with modern design and analysis methods. The results obtained have important guiding significance for improving the working performance of the hydraulic machine.

Using the finite element software as a tool, the finite element analysis of the Y28-500T double-action stretching machine body is carried out to understand the stress characteristics of the overall structure and the stress state of the key components. The initial design is based on the stress and strain results obtained from the analysis. Improvements were made to propose a structural size design of important parts of the hydraulic machine. After optimizing the main components, the modal analysis of the overall structure of the hydraulic machine, that is, the frame composed of the upper and lower beams and the column, finally provides a reference for the optimization design of the three-beam four-column hydraulic machine.

The research results show that the finite element analysis software is used to analyze the stress, strain and modal of the frame structure of the hydraulic machine body, determine the stress concentration part and weak link of the fuselage structure, and find the natural vibration frequency and corresponding vibration mode of the hydraulic machine body. It is of great significance to improve the working performance of hydraulic press and solve the problem of hydraulic machine vibration.

The characteristics of this paper: using the combination of computer entity modeling software and finite element analysis software, the analysis and optimization process of the new hydraulic machine body is demonstrated by the specific type of hydraulic machine.

Key Words：Hydraulic machine body；Finite element analysis；Static structure analysis；Modal analysis；Optimized design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状及发展方向 1

1.2.1 液压机发展史 1

1.2.2 液压机研究现状及发展 1

1.3 本课题研究的目的和意义 2

1.4 本论文的主要研究内容 3

第2章 液压机机身分析基础 4

2.1 液压机类型 4

2.2 液压机机身结构分析 4

2.2.1 液压机基本参数 5

2.2.2 液压机上横梁 5

2.2.3 液压机活动横梁 6

2.2.4 液压机下横梁 7

2.2.5 液压机其他结构 7

2.2.6 液压机底座 8

2.2.7 液压机整体结构 8

2.3 液压机机身简要力学分析 8

2.3.1 立柱受力分析 8

2.3.2 上横梁受力分析 9

2.4 本章小结 11

第3章 液压机机身静态有限元分析 12

3.1 有限元的主要内容 12

3.1.1 有限元的发展 12

3.1.2 有限元的基本思想 13

3.1.3 有限元的常用术语 13

3.1.4 有限元法的分析过程 13

3.2 ANSYS 13

3.2.1 ANSYS简介 13

3.2.2 ANSYS Workbench特点 13

3.2.3 ANSYS Workbench分析过程 13

3.3 液压机机身有限元模型 14

3.3.1 机身整体和关键部件有限元模型的简化 14

3.3.2 有限元参数设置 15

3.4 液压机机身有限元分析 15

3.4.1 液压机机身整体有限元分析 16

3.4.2 液压机机身关键部件分析 18

第4章 液压机机身动态性能分析 23

4.1 模态分析概述 23

4.1.1 模态分析 23

4.1.2 模态分析的意义 23

4.2 机身的模态分析 24

4.2.1 模态分析过程 25

4.2.2 模态分析结果 25

第5章 液压机机身优化设计 27

5.1 结合机身静态有限元分析 27

5.2 结合机身模态分析 27

结论 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

在现代装备制造业中，冲压设备有着特别重要的地位，液压机作为一种应用最广泛的压装设备，其制造水平也在一定程度上反映了国家的工业发展水平。液压机一种运用液压传动原理来进行压力加工的设备，与别的类型的压力机相比，液压机可大范围无级调整压力、速度，其结构布局能灵活布置，并且能在合理布置前提下的任意位置输出全部功率并持续提供所需压力。伴随着多种崭新技术和工艺的出现，液压机在实际工业生产中的运用也变得越来越普遍，尤其是在塑性加工范畴已经成为工业生产中不可或缺的设备。

液压机依靠液体压力工作，属于技术精密型产品，其机电一体化程度比较高，科技的进步与人们对产品精度的越来越高的要求使液压机的设计优化水平迫切需要得到更进一步的提升。液压机机身的设计水平对整机的制造水平、机械性能和安全寿命等有着直接的影响^[1]。这导致对于液压机的机身整体布局的优化得到了越来越多的关注。

1.2 国内外研究现状及发展方向

1.2.1 液压机发展史

虽然在 1662 年，法国物理学家帕斯卡发现可以通过液压能转化为机械能来获得很大的作用力，但液压机的发展至今还不到二百年历史。18世纪60年代，第一次工业革命的爆发，标志着以机器设备代替工厂手工业的机械化生产新纪元的到来。作为一种原始的锻造加工方式的手工锻造加工，逐步被机器锻造所取代。到了1839年，第一台蒸汽锤在英国出现。机器制造工业的迅速发展使得实际生产生活所需的锻件的尺寸不断增大，这也导致工业生产所需要的锻锤也开始变得相当沉重，锻锤的变化使得设备在实际工作中产生的噪声越来越大。在1884年，英国曼彻斯特生产的锻造水压机可以用于锻造钢锭。与以往的压力机相比，锻造液压机工作状态较为平稳，产生的振动和噪声相对较小，因此锻造液压机由于其杰出的性能在当时得到了较快发展。19 世纪末，世界上西方帝国主义瓜分世界，军备规模急剧扩张，自由锻造和模锻液压机得到了快速的发展。20 世纪90年代后，由于重工业生产不景气，设备市场逐步趋于饱和，劳动力匮乏以及人们环保意识增强等因素的影响，大型锻件的生产发展备受阻挠。自21 世纪开始到现在，我国较为迫切的发展需求使得工业领域开始逐步实现高技术含量的大型锻件的国产化，我国液压机的制造能力有了明显提升。

1.2.2 液压机研究现状及发展

20世纪50年代国外普遍开展对液压机的研究，在20世纪60年代的时候国外液压机研究已处于较高的水平。国外液压机的发展状况从技术先进性角度来说德国处于比较领先的地位，而日本引进德国技术后在液压机研究领域也开始居于前列。

我国对液压机进行系统的设计研究从60年代开始，之后也逐渐建立了较完整的理论体系，但是我国整个液压机行业在后面相当长的时期里一直主要运用传统的设计方法，研究方法的落后使得国家在液压机关键技术的研究进展落后于西方发达国家。最近几年中国经济的高速发展以及经济全球化的程度提高，全世界各国在经济和工业领域的竞争也变得更加激烈，这时我国在液压机产品研究方面的薄弱点开始逐渐显现，在参与竞争时失去优势，因此国内对于液压机的研究又开始变得热门起来。国内的液压机生产企业采用引进国内外先进技术与同行业技术合作的手段，使自身在产品研发方面得到了迅速的发展。

目前国内外液压机的发展主要在控制系统领域占据优势，反而在液压机液压系统和机身整体结构的优化改型研究不是特别关注。总而言之，当前液压机发展现状主要涉及以下几个方面：

1. 自动化与智能化：世界各国在微电子技术领域的不断突破，使得液压机在加工过程中可以有效达到自动化与智能化，例如在加工制造方面，可以提高工作效率。
2. 运行高速化、高精度与生产高效化：特别是在国防行业及生产自动化的普及方面，这些指标的提升会使液压机的高质量发展变得更加容易。
3. 液压系统集成化与标准化：集成的液压控制系统可以减少管路间的连接，尽可能避免了泄露，同时标准化的液压元件便于进行设备的更换。
4. 产品高安全性与可靠性：在活动横梁上安装急停超越行程的安全装置及自动监测装置保障液压机工作安全可靠。
5. 性能的复合化：将不同系列、用途的液压机所具备的不同工艺性能尽可能地集中在一台产品上使液压机性能具有复合性。

1.3 本课题研究的目的和意义

液压机在工作过程中机身会承受较大载荷，需要克服加工产生的振动等带来的不利影响，这就要求设计出来的液压机机身具备一定的强度、刚度及稳定性，加大了液压机结构设计和优化的难度。而液压机机身的设计又是影响液压机质量的关键环节，通过机身结构的分析可以改善液压机的机械性能，从而提高生产产品的质量。

传统的设计方法是将机器的主要结构进行简化，然后利用材料力学理论对关键结构进行计算和校核^[2]。目前，我国关于液压机机身的设计分析以运用经验和类比设计等这样的传统设计方法为主，这带来的影响是与国外同类型产品相比，液压机的结构显得较为复杂、体型较大，产品成本和设计周期缺乏竞争力，制约着液压机的发展。本课题将借助有限元法这种现代设计分析方法对液压机机身进行一系列设计优化，在满足液压机机身的强度和刚度的基础上改善机身形状，希望以此过程为其他同类型产品的设计与分析提供参考。

1.4 本论文的主要研究内容

本论文针对Y28-500T双动拉伸机机身进行有限元分析与优化设计，主要研究内容可分为以下方面：

1. 液压机机身结构设计：按照Y28-500T双动拉伸机的基本参数对液压机的机身结构进行设计，利用Solidworks软件建立液压机的简化模型。
2. 液压机机身静力分析：在有限元分析软件ANSYS中对建立的液压机模型进行结构静力学分析，根据液压机工作状况对装配体施加合理的边界条件和载荷，得到液压机整体结构的应力、应变结果，为结构优化提供参考依据。
3. 液压机机身模态分析：利用有限元软件ANSYS对液压机进一步分析，对其机身进行模态分析，求解得到液压机模型的固有频率和相应振型，分析振型对液压机工作状态可能产生的影响。
4. 液压机机身优化设计：根据应力、应变及模态分析结果对初始的液压机机身各部件及整体机构提出合理的优化设计方案。

第2章 液压机机身分析基础

2.1 液压机类型

现在液压机被使用的范围越来越大，不同的工厂作业场合对液压机开始提出了不同的需求，液压机生产商开始研发不同类型的液压机以满足不同的生产需要。在对研究对象进行机身分析之前，大致介绍一下液压机的分类情况，这有助于后续对机身关键部件的设计过程能有比较清晰的认识。

液压机如果按照结构分：包括单柱液压机、双柱液压机、三梁四柱式液压机、框架式液压机。如果在加工时需要满足的需求不同，液压机还可以有其他形式：多柱式、多向式、卧式、立式及龙门式等^[3]。

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