满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精冲压力机技术领域，具体涉及一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压 力机机身优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 为了更好的满足高效加工大尺寸工件的需求，大吨位乃至超大吨位锻压设备设 计现在已经成为我国锻压技术研究的一个重要方向，但为了满足刚强度设计、性能及安全 等方面的要求，大吨位锻压设备的设计普遍偏重。机身作为机床的基础支撑件，支承着与 机身上表面具有配合关系的机床部件的重量以及加工工件的重量。机身的变形（在偏心载 荷下）将直接引起其所支承的部件产生倾斜，影响加工零件的质量以及模具的寿命。尤其 在精密设备中，机身的变形显得更为重要，因此机身的设计成为机床制造企业的关键技术。
[0003] 精冲属于无削加工技术，具有普通冲裁和其他一些加工方法所不具备的特点，包 括精冲后工件断面质量好、毛刺小、耐磨性以及强度高、加工效率高及节能省材等。精冲压 力机是应用精冲技术的基础，经常处于偏心载荷运动状态将会影响其动态精度、模具寿命 以及加速受力零件的疲劳。
[0004] 随着科学技术的发展，如何以较合理的结构和较小的重量，设计出符合强度、刚度 和抗偏载性等要求的机身，是现代压力机设计需要考虑的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计 方法，它可以在满足抗偏载性能的基础上对大吨位精冲压力机机身进行优化设计，提高工 作效率，降低成本。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 提供一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法，包括以下步 骤：
[0008] S1、确定优化因素：
[0009] S101、根据实际生产中机身的变形信息，选出五个变形量较大的因素，即主立板、 侧立板、下筋板、上横梁和下横梁，该五个因素的取值范围从板料数据库中确定，所述板料 数据库包括实际生产中各因素板厚选用范围和常用板料厚度标准；
[0010] S102、利用控制变量法，每次只改变其中一个因素的板厚，而控制其他几个因素不 变，根据机身二维图纸针对每个因素建立一系列三维模型；
[0011] S103、将三维模型导入有限元软件中，生成有限元软件下的有限元模型，根据机身 板料设置有限元模型的弹性模量、泊松比和密度，对有限元模型进行网格划分，根据机身实 际安装位置及载荷作用情况，对有限元模型施加相应的约束和偏心载荷；
[0012] S104、设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，并得到机身受到偏心 载荷时的倾斜量；
[0013] S105、选择倾斜量变化较大的四个因素作为优化因素，即主立板、侧立板、上横梁 和下横梁；
[0014] S2、对优化因素进行多目标优化：
[0015] S201、将每个优化因素的取值范围分为5水平，设计四因素五水平的正交试验表， 确定试验次数25次，即获得25组板厚组合；
[0016] S202、实施正交试验方案，根据每一组板厚组合建立相应的机身三维模型，重复步 骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，并得到机身受到偏心载荷时 的倾斜量，以及每组板厚组合下机身的质量；
[0017] S203、通过极差分析，分别得到各因素的质量极差和倾斜量极差，即可得到各个优 化因素对机身倾斜量和机身质量的影响主次顺序；
[0018] S204、通过多目标综合平衡法，得出同时满足机身抗偏载性能要求以及减轻质量 要求的理论最优板厚组合；
[0019] S205、根据理论最优板厚组合建立理论最优机身三维模型，重复步骤S103,设定结 构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，得到机身受到偏心载荷时的倾斜量以及机身 的质量；
[0020] S206、若步骤S205中的倾斜量满足设计要求，且机身质量相比于所有正交试验中 的平均值有所减小，即达到轻量化设计的目的，否则重复步骤S204和S205,直至获得实际 最优板厚组合。
[0021] 按上述技术方案，在步骤S103中，所述偏心载荷为1000KN。
[0022] 按上述技术方案，所述机身板料为Q235-A。
[0023] 按上述技术方案，在步骤S101中，主立板的取值范围为80~130mm，侧立板的取值 范围为90~140mm，下筋板的取值范围为30~80mm，上横梁的取值范围为240~450mm，下 横梁的取值范围为140~240mm〇
[0024] 按上述技术方案，在步骤S103中，所述弹性模量E= 200Gpa，泊松比u= 0? 3,密 度P= 7. 86X103kg?m3。
[0025] 按上述技术方案，在步骤S201中，上横梁的五个水平分别为210、300、380、450、 550，下横梁的五个水平分别为110、150、190、230、270，主立板的五个水平分别为70、90、 110、130、150,侧立板的五个水平分别为60、90、120、150、180,单位均为mm。
[0026] 本发明产生的有益效果是：由于精冲压力机机身的抗偏载性能受到每个位置板厚 的影响，而且只有当每块板的板厚对其性能的影响规律确定以后才能进一步对多块板的板 厚同时进行优化，因此本发明先研究单块板的板厚对机身抗偏载性能的影响规律，再选出 几个影响较大的因素进行多目标优化，即可得到满足精冲压力机机身抗偏载性能的轻量化 设计的板厚组合。本发明准确性、可靠性好，精确度高，分析、计算快速，
【附图说明】
[0027] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0028] 图1是本发明实施例的优化设计流程图；
[0029] 图2是精冲压力机机身的结构立体图；
[0030] 图3是偏心载荷加载示意图；
[0031] 图4是精冲压力机机身的有限元模型图；
[0032] 图5是主立板厚度为120mm时机身的应变云图。
[0033] 图中：1_主立板、2-侧立板、3-下筋板、4-上横梁、5-下横梁。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0035] 如图1~图5所示，一种满足抗偏载性能的大吨位精冲压力机机身优化设计方法， 包括以下步骤：
[0036] S1、确定优化因素：
[0037] S101、根据实际生产中机身的变形信息，选出五个变形量较大的因素，即主立板1、 侧立板2、下筋板3、上横梁4和下横梁5,该五个因素的取值范围从板料数据库中确定，板料 数据库包括实际生产中各因素板厚选用范围和常用板料厚度标准；
[0038] S102、利用控制变量法，每次只改变其中一个因素的板厚，而控制其他几个因素不 变，根据机身二维图纸针对每个因素建立一系列三维模型；
[0039] S103、将三维模型导入有限元软件中，生成有限元软件下的有限元模型，根据机身 板料设置有限元模型的弹性模量、泊松比和密度，对有限元模型进行网格划分，根据机身实 际安装位置及载荷作用情况，对有限元模型施加相应的约束和偏心载荷；
[0040] S104、设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，并得到机身受到偏心 载荷时的倾斜量；
[0041] S105、选择倾斜量变化较大的四个因素作为优化因素，即主立板、侧立板、上横梁 和下横梁；
[0042] S2、对优化因素进行多目标优化：
[0043] S201、将每个优化因素的取值范围分为5水平，设计四因素五水平的正交试验表， 确定试验次数25次，即获得25组板厚组合；
[0044] S202、实施正交试验方案，根据每一组板厚组合建立相应的机身三维模型，重复步 骤S103,设定结构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，并得到机身受到偏心载荷时 的倾斜量，以及每组板厚组合下机身的质量；
[0045] S203、通过极差分析，分别得到各因素的质量极差和倾斜量极差，即可得到各个优 化因素对机身倾斜量和机身质量的影响主次顺序；
[0046] S204、通过多目标综合平衡法，得出同时满足机身抗偏载性能要求以及减轻质量 要求的理论最优板厚组合；
[0047] S205、根据理论最优板厚组合建立理论最优机身三维模型，重复步骤S103,设定结 构静力学分析的显示结果为机身的应变云图，得到机身受到偏心载荷时的倾斜量以及机身 的质量；
[0048] S206、若步骤S205中的倾斜量满足设计要求，且机身质量相比于所有正交试验中 的平均值有所减小，即达到轻量化设计的目的，否则重复步骤S204和S205,直至获得实际 最优板厚组合。
[0049] 在本发明的优选实施例中，在步骤S103中，偏心载荷为1000KN。
[0050] 在本发明的优选实施例中，机身板料为Q235-A。
[0051] 在本发明的优选实施例中，在步骤S101中，主立板的取值范围为80~130mm，侧立 板的取值范围为90~140mm，下筋板的取值范围为30~80mm，上横梁的取值范围为240~ 450mm，下横梁的取值范围为140~240mm。
[0052] 在本发明的优选实施例中，在步骤S103中，弹性模量E= 200Gpa，泊松比u= 〇? 3,密度P= 7. 86X103kg?m3。
[0053] 在本发明的优选实施例中，在步骤S201中，上横梁的五个水平分别为210、300、 380、450、550，下横梁的五个水平分别为110、150、190、230、270，主立板的五个水平分别为 70、90、110、130、150,侧立板的五个水平分别为60、90、120、150、180,单位均为mm。
[0054] 下面以12000KN精冲压力机机身为例，如图1-图5所示，对其机身优化分为两大 步进行，其中床身整体尺寸为2800X1570X4520mm，三维软件采用Pro/E，有限元软件采用 Hy