课程设计说明书

应力可达 328 Mpa，超过规定应力极限，这主要是由于在未开孔的情 况下，现在开孔处附近的应力较大，考虑将腹板开孔位置上升一定距 离，同时增加开孔形状的圆弧过渡半径，以减轻应力集中效果。除上 述应力较大处之外，其余各处应力幅值较小，特别是横梁的左右侧板 和中间立板上应力较小，在结构强度方面，材料有较大富余，可考虑 适当减薄钢板厚度或钢板其他尺寸。
图 4- 6 优化结构应力云图分布
图 4- 7 优化结构应力云图分布
图 4- 8 优化结构应力云图分布
图 4- 9 优化结构应力云图分布
图 4- 10 优化结构应力云图分布
五、 硫化机结构性能评估结论
通过对本次课设所给的机械型硫化机进行全面的结构强度、结 构刚度分析，硫化机横梁局部 Von. Mises 应力最大不超过 235Mpa， 满足结构强度需求； 结构变形最大值为 1.716mm,满足结构刚度要求。
图 2- 9 横梁原设计方案应力分布云图
图 2- 10 横梁原设计方案应力分布云图
图 2- 11 横梁原设计方案应力分布云图
图 2- 12 横梁原设计方案应力分布云图
图 2- 13 横梁原设计方案应力分布云图
四、 硫化机结构的优化设计
通过上一部分结构强度分析的结论来看，需要对硫化机横梁结 构作出以下修改以便满足设计要求：
图 2- 5 网格划分
之所以选择 Smart Size 为 8， 一方面是考虑到由于所用的笔记本 计算机内存较小，防止计算过程中内存不够导致出错，另一方面考虑 到计算结果不能太粗糙。综合这两面因素将其定为 8。划分完成后如 图 2- 6 所示：
图 2- 6 网格划分结果
之后对网格划分结果进行检查，即 Check Mesh，并未发现错误 的单元划分，说明该网格划分可行。完成后，依照工况条件对模型进 行加载， 左右两端两个圆柱横梁拉杆销的两端面所承受的均布压力为： P1 = F1 500 × 1000 × 9.8 = Pa = 38992869 Pa A1 0.125664
二、 硫化机横梁有限元分析模型的建立
根据硫化机横梁的工程图， 在 Solidworks 2013 环境下建立硫化 机横梁的三维模型，如图 2- 1 所示：
图 2- 1 硫化机横梁在 solidworks 2013 下的视图
由于 Solidworks 所默认生成的文件类型不能直接导入 ANSYS 软件 内， 经查阅相关资料， 可采用以下方法： 将当前模型另存为*.x_t 格式， 即保存类型选 Parasolid(*.x_t)；运行 ANSYS，File→Import→PARA...→左 侧框中就会看到刚才生成的*.x_t 文件，如图 2- 2 所示：
课程设计说明书
题目：机械型硫化机横梁结构优化设计 班级：机制 1007 班 姓名：赵昆明 学号：U201010724 指导老师：王书亭 时间：2014 年 3 月
目录
一、 设计思路概述.............................................................................. 3 二、 硫化机横梁有限元分析模型的建立........................................... 4 三、 硫化机结构的性能计算 .............................................................. 6 1.结构刚度分析 ............................................................................... 8 2.结构强度分析 ............................................................................... 9 四、 硫化机结构的优化设计 ............................................................ 13 1.结构形状修改 ............................................................................. 13 2.结构尺寸优化 ............................................................................. 13 3. 结构刚度分析 ............................................................................. 14 4 结构强度分析 .............................................................................. 16 五、 硫化机结构性能评估结论 ........................................................ 19
图 2- 2 导入 parasolid 文件
选中文件便可完成导入。此时看到的模型为硫化机横梁的线框模 型，如图 2- 3 所示：
图 2- 3 硫化机横梁的线框模型
之后进行 PlotCtrls→Style→Solid Model Facets→下拉框中选择 Normal Faceting，之后选择 Replot，即可看到硫化机横梁实体了。如图 2- 4 所示
一、 设计思路概述
本次课程设计为机械型硫化机横梁结构优化设计， 设计思路 为 ： 首 先 在 工 程 图 Hengliang.dwg 给 出 的 情 况 下 利 用 软 件 Solidworks2013 对硫化机横梁进行建模，之后将其导入有限元分析 软件 ANSYS10.0 中， 在计算工况以及边界条件已知的情况下进行硫 化机横梁的有限元分析，重点分析横梁的受力及变形情况。将分析 结果与设计要求进行对比， 之后对硫化机横梁结构进行针对性的优 化，直至优化结果满足设计要求。现附上硫化机横梁的计算工况以 及设计要求： 1．计算工况和边界条件 （1）硫化机工作时，横梁下座板承受板处承受的压力为 1000 吨； （2）左右两端两个圆柱横梁拉杆销的受力各为 500 吨。 2．设计要求 要求在厂定技术条件下，对该型硫化机进行结构分析和优 化设计，提高并保证其结构物理性能，使其满足结构强度、结 构刚度的设计要求，保证硫化机的正常工作，同时合理配置其 结构布局，有效减轻其富余材料，降低生产成本。 （1）应力满足强度要求（<235MPa） ； （2）刚度要求横梁和底座的变形均小于 1.8mm。
1. 结构形状修改
通过结构拓扑优化分析，对横梁进行一处结构修改，参见图 41 标号 1 所示，将横梁的开窗位置上升 320mm，圆角过渡半径由 60mm 增加至 100mm。同时为了减小硫化机的最大变形量，在下底板中部模 具安装孔上方加焊如图 4-2 所示结构。
2. 结构尺寸优化
通过基于有限元的离散尺寸优化分析，主要尺寸改变参见图 41 所示： Ⅰ.将图 4- 1 中标识 2 所指横梁中间立板的高度由 800mm 减小 到 500mm； Ⅱ.将图 4- 1 中标识 4 所指左右两侧板的厚度减少 20mm； Ⅲ将图 4- 1 中标识 3 所指上底板厚度由 40mm 减小到 30mm。 结构形状及尺寸优化完成后的模型如图 4- 2 所示：
1.结构刚度分析
之后将鼠标停留在 General Postproc 命令上，再点击 Plot → Results→Deformed Shape→Def shape only，可得到如下结果：
图 2- 8 变形结果
从变形结果来看，硫化机横梁结构的最大位移 DMX=0.187E-3 m=0.187 mm,由于该模型在 Solidworks 中是按 1：10 绘制的，故实际 上硫化机的变形是 1.87 mm 不符合设计要求 （2） 。 可考虑增加相关位 置的材料以提高硫化机结构刚度。
2.结构强度分析
横梁上各处的 Von．Mises 应力分布云图如所示，其中最大应力 为 600MPa， 位于横梁与拉杆销连接处， 这是由于分析简化处理所致， 实际工作中不会出现，因为此处在安装拉杆销时存在预应力，会抵消 部分应力。其它应力较大区域包括腹板开孔外侧下角处，下底板模具 安装位置及中心孔周围， 其中腹板开孔外侧下角处的应力集中处最大
图 4- 1 横梁主要结构及尺寸变化示意图
图 4- 2 横梁优化设计结果
3. 结构刚度分析
优化后的结构经过与原结构类似的处理过程，即导入、定义参 数、画网格、加载（如图 4- 3 所示） 、计算求解等步骤后，变形结果 如下所示：
图 4- 3 加载情况
图 4- 4 变形情况
可以看出最大位移 DMX=0.001716 m=1.716 mm， 符合设计要求，
图
将模型导入到 ANSYS 后，首先定义单元类型为 10 节点 solid 92 单元， 硫化机横梁的结构材料均为 A3 钢， 材料特性为： 弹性模量 E = 206GPa；泊松比 μ = 0.3；屈服极限 σ s = 235MPa；强度极限 σ b = 461 MPa； 密度 ρ = 7800kg/m3。 将这些特性输入进 ANSYS 的前处理 的相关对话框。之后对模型进行网格划分，在弹出的 MeshTool 中进 行如下选择，如图 2- 5 所示：
说明该优化结构的刚度达到设计要求。
4．结构强度分析
横梁上各处的 Von．Mises 应力分布云图如所示，腹板开孔外侧 下角处的应力集中处最大应力可达 181 Mpa，未超过规定应力极限， 满足要求。 除横梁与拉杆销连接处外其余位置的应力由图中可以看出 并未超过 235 MPa，满足设计要求
图 4- 5 优化结构应力云图分布
横梁下座板承受板承受的均布压力为： P2 = F2 1000 × 1000 × 9.8 = Pa = 11412959 Pa A2 0.858673