机械设备本体的设计与分析方法研究

张国智，苏 婕

（1.新乡学院机电工程学院，河南新乡453003；2.新乡市科学技术情报研究所，河南新乡453002）

机械设备本体的设计与分析方法研究

张国智1，苏 婕2

（1.新乡学院机电工程学院，河南新乡453003；2.新乡市科学技术情报研究所，河南新乡453002）

研究机械设备本体的设计与分析方法，提出了基于宏微观的设计与分析思路。基于此思路以大型液压机本体的设计与分析为工程案例进行了分析。首先，进行了宏观分析，建立了其理论模型和基于外点罚函数法的优化模型，并对其进行了验证；然后，进行了微观分析，研究了过渡圆角半径对其强度和刚度的影响规律。为机械设备本体的高效、准确的设计与分析提供了方法和依据。

机械设备本体；宏观分析；微观分析；外点罚函数法；过渡圆角半径

目前，随着科技的发展，人们越来越重视大型设备的可靠性、轻量化。对于大型液压机，国内外学者主要对其具体的结构设计与分析进行了大量的研究［1-5］，但是对于复杂结构的快速、准确设计方法研究较少，本文基于以上工程背景，针对机械设备本体的设计与分析方法，进行了深入系统的研究。

1 宏微观的设计与分析思路

机械设备本体结构主要包括闭式框架结构和开式C型结构两大类。对于机械设备本体结构的设计分析基本可分为两个阶段：宏观粗犷设计阶段和微观细节设计阶段，将理论分析与有限元分析相结合，并相互验证，从整体到局部，以增加分析的可靠性和分析效率。对于机械设备本体，首先，分析其整体的强度和刚度，从整体进行分析和优化；然后，分析其局部的设计细节，再对关键细节进行分析和优化。具体设计与分析思路如图1所示。

图1 机械设备本体结构的设计与分析思路

2 大型液压机本体的整体分析与优化

闭式结构在大型液压机上应用得比较多，如图2（a）所示。该结构刚度和强度较好。闭式结构可简化成刚架，如图2（b）所示，厚度为t，框架的宽和长为l1和l2，横梁和立柱的惯性矩为I1和I2，材料的弹性模量为E，则横梁和立柱的抗弯刚度为EI1和EI2，横梁和立柱的截面高度为h1和h2，框架的许用应力和许用刚度为［σ］和［δ］。

2.1 理论模型的建立

（1）闭式结构的弯矩

闭式结构的整体弯矩简图如图2（c）所示。闭式结构的弯矩问题属于一次超静定问题，根据材料力学中超静定问题的莫尔积分法和图乘法进行推导，则闭式结构的最大和最小弯矩为

根据第一强度有

由莫尔积分法得，上横梁的最大挠度为

图2 闭式结构液压机结构及力学分析图

闭式结构的刚度通常用单位跨度的挠度来衡量，因此

2.2 优化模型的建立

假设闭式结构体积V不变，外形尺寸不变，上横梁和立柱的横截面高度是设计变量，以上横梁的单位跨度的挠度为设计目标，基于理论解析法建立其优化数学模型，即求

使得h1、h2满足

其中h=（h1，h2）T。

应用外点罚函数法进行优化，外点罚函数形式为

外点罚函数法的惩罚因子按下式递增

其中c为递增系数，通常取c=5～10。 按下面经验公式计算

其中

收敛条件为

外点罚函数法的优化计算流程如图3所示。

图3 外点罚函数法的计算流程

2.3 分析模型的验证

材料力学及梁单元的有限元计算结果见表1，通过对比验证了计算结果的正确性。

表1 材料力学及有限元计算结果对比表

3 大型液压机本体局部圆角半径对其强度和刚度的影响

当压力机框架过渡圆角半径分别为150、200、250、300和350 mm时，框架的变形和等效应力变化曲线如图4和图5所示。从图4中可见，上横梁挠度与工作台的挠度曲线变化趋势相反，并且呈波动变化趋势，立柱挠度随圆角半径的增大而增大，但增大幅度不大，近似线性变化。从图5中可见，框架最大等效应力随圆角半径的增大而减小，减小幅度较大，呈非线性关系，此外，随圆角半径的增大，应力集中明显减小。

图4 不同圆角半径时压力机框架的变形曲线

图5 不同圆角半径时压力机框架的等效应力曲线

4 结论

本文针对机械设备本体的设计与分析，得出以下结论：（1）提出了宏微观的设计与分析思路，该方法一方面保证了分析精度，满足了每个阶段的要求，另一方面有效地提高了分析效率；（2）基于宏微观的设计与分析思路，对大型液压机本体进行了宏观分析，建立了其理论和优化模型，并对理论模型进行了验证；（3）基于宏微观的设计与分析思路，对大型液压机本体进行了微观分析，研究了圆角半径对液压机强度和刚度的影响规律。本文的研究为机械设备本体的快速、准确的设计与分析提供了方法和依据。

［1］ 王慧，王卫卫.液压机本体柔性化设计相关技术的研究［J］.锻压技术，2004（1）：44-46.

［2］ 王慧，王卫卫，宋艳君.液压机本体柔性化建模的研究［J］.锻压装备与制造技术，2003（5）：76-78.

［3］ 吴先文，杨林建，李雷.大型热模锻压力机机架组件有限元分析［J］.机械传动，2011（9）：65-69.

［4］ 何文斌，曾攀，林峰，等.40 MN钢丝缠绕多向模锻液压机机架有限元模态分析［J］.锻压技术，2011（2）：69-73.

［5］ 陈俊锋，张卫，刘小林，等.基于正交试验与APDL的液压机结构优化［J］.锻压技术，2011（2）：74-77.

【责任编辑 黄艳芹】

Study on Design and AnalysisM ethods of the Noumenon of M echanical Equipment

ZHANG Guozhi1,SU Jie2
（1.Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang University,Xinxiang 453003,China；2.Xinxiang Institute of Science and Technology Information,Xinxiang 453002,China）

Design and analysismethods of the noumenon ofmechanical equipment were studied.The design and analysis approach based on macro and micro idea was proposed.Taking the engineering case of hydraulic press noumenon for example，the study analyzed the design ofmechanical equipment noumenon.Firstly，itsmacro analysis was done，including establishing its theoretical model and optimization model with external penalty function method.Then，itsmicro analysis was done，including studying on the influence of its transitional fillet radius to its strength and stiffness.Moreover，the analysismodel established was verified.The study in the paper provides an approach to efficientand accurate design and analysis of the noumenon ofmechanical equipment.

the noumenon of mechanical equipment；macro analysis；micro analysis；external penalty function method；transitional fillet radius

TG66

A

2095-7726（2015）06-0049-03

2015-03-10

河南省教育厅自然科学研究计划项目（2011C460002）

张国智（1978-），男，黑龙江木兰人，副教授，博士，研究方向：材料加工过程及设备的有限元数值模拟、工程中的优化方法、宏微观塑性力学和生物力学。