摘 要

随着制造业的发展，压力加工的吨位日趋增加，对压力机承载能力的需求也越来越大。因此，十分有必要对现有的压力机进行细致地分析研究以确保设备安全和使用安全。YSK1500C属于四柱式三缸挤压油压机，有着较大的吨位和紧凑的结构，其在使用时的状态值得关注。本文借助理论计算与有限元分析相结合的方法对它展开分析和优化。

本文首先依据YSK1500C相关的图纸资料，经过合理的选型之后在Solidworks 2015中对该油压机机身组件，包括上下横梁、立柱、液压缸等进行三维建模，组合成装配体。

得到了关于机身的模型之后，使用材料力学的知识对上下横梁、活动横梁和立柱进行合理简化，计算其强度和刚度。理论计算的结果显示，上横梁和下横梁的强度合乎要求而刚度不达标；活动横梁的挤压应力过大，有开裂的危险；立柱在中心载荷和10cm的偏心载荷作用下强度合格，但是反复加载下的疲劳强度不合格。

为了得到更精确的结果，使用ANSYS Workbench 15.0分别对模型在极限载荷作用下的主缸和侧缸进行应力和应变分析，对整体进行模态分析。分析结果显示立柱的圆角区和下横梁的倒角区应变过大，存在着应力集中现象，这种现象的发生使得下横梁的强度难以满足使用要求，有断裂的可能。油压机的一阶固有频率较低，约为22Hz，并且前三阶的振型对机身框架的刚度极为不利。

最后，针对上述应力过大的现象使用Workbench进行了优化设计。将立柱的圆角半径从10mm改至13mm，等效应力减小7%；将下横梁过渡区90mm的45°倒角和半径为15mm的圆角经过两次优化改至130/15mm，等效应力减小16%。

本文结合和经验计算与计算机辅助工程技术对大型装配体展开了仿真分析，给出了工程应用上的意见，并针对症结进行了一定深度的优化，取得了一定的效果。但计算精度还有待提升。

关键词：油压机 有限元 静力学分析 模态分析 优化设计

Abstract

The tonnage of pressure process increases gradually with the development of manufacturing industry, which at the same time, causes the high demand of press machine’s carrying capacity. Therefore, it’s very necessary for now existing presses to analyse and research in detail so as to insure the safety of equipment and manipulation. YSK1500C is a kind of four-column hydraulic triplex extrusion press with biggish tonnage and compact structure, whose using condition is worthy to pay attention. This article will analyse and optimize it with the help of FEM and theoretical computation.

First, according to YSK1500C’s relevant information and drawing, after rational model selection, the 3D model of oil press’s frame is built in Solidworks 2015, including upper beam, lower beam, columns and cylinders and then, assemble them entirely.

After obtaining the 3D model, making use of the knowledge of mechanics of materials to simplify upper beam, lower beam, active beam and columns reasonably and calculate their strength and stiffness. The result shows that the strength of upper beam and lower beam reaches the standard while the stiffness doesn’t make it. The extrusion stress of active beam is a little bit large and have the risk of crack. Under the centre-line load and 10cm eccentric load, the column’s strength is eligible, but it is below the standard of fatigue strength while using the repetitive loading.

For the sake of a more accurate outcome, ANSYS Workbench 15.0 is used to analyse the stress and strain of main cylinder and side cylinder under the limit load and the modal of the entirety. Analysis result shows that the fillet zone of column and the chamfer zone of lower beam have quite large strain with stress concentration, which can’t meet the operating requirement of the lower beam and have the possibility of fracture. This oil press’s first natural frequency is about 22Hz, which is relatively low. Its top three mode of vibration is rather unfavorable toward the frame’s stiffness.

Finally, the optimization with Workbench against the phenomenon of oversize stress changes the fillet radius of column from 10mm to 13mm and the equivalent stress decrease 7%. What’s more, after going through twice optimization, the 45° chamfer of 90mm and fillet radius of 15mm of lower beam transform to 130/15mm and the equivalent stress decrease 16%.

This article simulates and analyses the large-scale assembly combining empirical calculation and CAE, then puts forward some tips for engineering application. Finally the optimization in certain depth toward problems above acquires definite effect. However, the computational accuracy remains to be promoted.

Key words: oil press, FEM, static analysis, modal analysis, optimization design

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及其意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文研究内容与方向 2

1.4 预期目标 3

第2章 机身模型的建立 4

2.1 上横梁 4

2.2 下横梁 5

2.3 立柱 6

2.4 其他零部件建模及装配 8

第3章 机身强度与刚度的计算分析 9

3.1 基本假设 9

3.2 横梁的强度与刚度计算分析 10

3.2.1 上横梁的强度与刚度分析 10

3.2.2 活动横梁的强度与刚度分析 14

3.2.3 下横梁的强度与刚度分析 15

3.3 立柱的强度分析 19

第4章 基于有限元的机身分析 25

4.1 有限元概论及其相关应用 25

4.2 静力学分析 25

4.2.1 关于主缸分析 25

4.2.2 关于侧缸的分析 30

4.3 模态分析 33

第5章 基于Workbench的优化设计 36

5.1 Workbench优化概述 36

5.2 关于立柱的优化 37

5.3 关于下横梁的优化 39

第6章 总结与展望 44

6.1 总结 44

6.2 展望 44

参考文献 45

致谢 47

绪论

1.1研究目的及其意义

液压机是一种以液体为工作介质，用来传递能量从而实现各种工艺的机器。它被广泛运用于机械工业的诸多领域。如在锻压（塑性加工）领域中，液压机常被用于自由锻、模锻、冲压（板料成形）、挤压、剪切、拉拔成型以及超塑性成形等许多工艺中；而在机械工业的其他领域，液压机更被运用于粉末制品、塑料制品、金刚石成形、磨料制品、校正压装、压砖、打包、橡胶注塑成型、海绵钛加工、人造板热压，乃至炸药模压等十分广泛的不同的工业领域^[1]。根据使用的液体介质的不同，可分为水压机、油压机等类型。目前中小型液压机均采用专用液压油作为工作介质，因此油压机在工业上有着大范围的运用。

YSK1500C油压机是一种四柱式三缸挤压油压机，这种类型的油压机在各类油压机中最常见、应用最广。其主要特点是加工工艺性较其他类型油压机简单。它的机身是由上横梁、工作台（下横梁）和四根立柱组成。工作油缸安装在上横梁之内，活动横梁与工作油缸的活塞连结成一体，以立柱为导向进行上下运动^[2]。该型号的油压机拥有三个工作油缸，上横梁包含一个主油缸，提供1000t的公称压力；工作台两侧面各有一个侧油缸，提供250t2的侧缸压力。该挤压液压机主要用于生产有色金属和黑色金属的各种管、棒、型材和线材，可以挤出各种截面形状的材料，包括复杂的带筋壁板。