陸愛國(guó)，朱新武，孫成建

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225128）

1 概述

采用ANSYS軟件對(duì)10000kN熱模鍛壓力機(jī)整體進(jìn)行有限元分析。此壓力機(jī)的設(shè)計(jì)一定程度上還依賴于傳統(tǒng)的材料力學(xué)設(shè)計(jì)方法。該法存在不足，用來(lái)計(jì)算彎矩和應(yīng)力的慣性矩不是整個(gè)結(jié)構(gòu)上的精確計(jì)算值，而是一個(gè)近似值；這樣就可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在誤差，造成機(jī)架過(guò)于笨重等缺陷。這就需要引入比較有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，利用有限元法進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

2 技術(shù)方案分析

2.1 有限元分析模型的建立

在進(jìn)行有限元分析之前，首先需要將分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為便于分析的結(jié)構(gòu)分析模型或力學(xué)模型。為保證全面反映機(jī)身的應(yīng)力應(yīng)變情況，同時(shí)使有限元模型得到簡(jiǎn)化，確定了以下6條建模原則：①對(duì)于明顯不會(huì)影響機(jī)身整體強(qiáng)度、剛度的部位，如螺釘孔、銷孔、圓角等予以簡(jiǎn)化；②認(rèn)為焊接質(zhì)量可靠，且不考慮焊接對(duì)各板傳力的影響；③將導(dǎo)軌看成自由界面，滑塊與導(dǎo)軌之間無(wú)力的傳遞；④地腳螺栓剛度無(wú)限大，不考慮地基及機(jī)身以外部件彈性變形；⑤為了減少?gòu)?fù)雜的非線性計(jì)算，在不影響精度的情況下，將拉桿與螺母作為一個(gè)零件進(jìn)行建模；⑥機(jī)身部件在左右兩個(gè)方向上大都是對(duì)稱的，載荷也是完全對(duì)稱的。

由此，在有限元分析中采用常見的二分之一模型劃分網(wǎng)格。在結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束條件。減少工作量，節(jié)約時(shí)間。

利用SolidWorks建立的二分之一實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)分析

熱模鍛壓力機(jī)一般是曲柄式機(jī)械壓力機(jī)。該壓力機(jī)的尺寸和重量較大，所以壓力機(jī)采用組合框架式機(jī)架，即將上、下橫梁和兩側(cè)的立柱分別制造，再用大型螺栓組合在一起（圖1）。通過(guò)拉桿施加的預(yù)緊力將上橫梁、下橫梁以及立柱預(yù)緊在一起，組成一個(gè)封閉框架。組合框架結(jié)構(gòu)中，為防止壓力機(jī)工作時(shí)組合機(jī)身的結(jié)合面出現(xiàn)間隙，安裝機(jī)身時(shí)必須給壓力機(jī)一定的預(yù)緊力。在預(yù)緊模態(tài)，機(jī)架只受預(yù)緊力作用；而在工作模態(tài)，除預(yù)緊力外，上橫梁液壓缸位置作用有工作載荷，下橫梁工作臺(tái)面也有工作載荷。其受力簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中Pz為作用在機(jī)架上預(yù)緊力，P為作用在機(jī)架上的工作載荷。作用在上橫梁底面上的力與作用在下橫梁工作臺(tái)上的力形成一封閉力系。對(duì)液壓機(jī)分析的坐標(biāo)采用三維直角坐標(biāo)系，z向?yàn)樨Q直方向，xy平面為水平面，其中x向和z向方向如圖中所示。

該型號(hào)熱模鍛壓力機(jī)公稱力為10000kN，根據(jù)熱模鍛壓力機(jī)的工況，采用15000kN進(jìn)行加載計(jì)算。

圖2 組合機(jī)身受力簡(jiǎn)圖

2.3 立柱受力分析

根據(jù)實(shí)際工況，鍛造時(shí)產(chǎn)生的壓力通過(guò)滑塊、連桿、曲軸，傳遞到立柱上，立柱大圓孔的上半部分圓弧面為受力面，在分析過(guò)程中，我們把作用力近似為均勻載荷。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，加載到圓孔上部三分之一的圓弧面上，加載力為15000kN。為了簡(jiǎn)化加載過(guò)程，換算到圓弧面的投影面積上，投影面為 440×528（mm2），計(jì)算得到均布載荷為P=32.28MPa。

2.4 約束施加

約束條件是有限元結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)重要內(nèi)容，約束條件確定得正確與否也是計(jì)算成敗的關(guān)鍵。約束處理必須遵循以下原則：①有足夠的約束，使結(jié)構(gòu)消除剛體運(yùn)動(dòng)的可能，從而保證剛度矩陣非奇異，獲得位移的確定解；②不允許多余約束。因?yàn)槎嘤嗉s束會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實(shí)際不存在的附加約束力，從而增加部件的計(jì)算剛度，使計(jì)算結(jié)果失真。

根據(jù)實(shí)際工況，在本次分析中，采用螺栓孔作為約束面，約束其三個(gè)方向的自由度。

2.5 分析指標(biāo)的確定

根據(jù)熱模鍛壓力機(jī)的性能指標(biāo)及一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇壓力機(jī)上、下橫梁和立柱的應(yīng)力值和z向撓度作為此次有限元分析的指標(biāo)參數(shù)。

2.6 單元、材料的選擇

本次分析采用Solid95單元，材料模型為各向同性線性彈性材料。上、下橫梁和立柱材料為Q235，其彈性模量 206e9，泊松比 0.3，密度7.86e3kg/m3，許用應(yīng)力取為160MPa。拉桿材料為45鋼，其彈性模量210e9，泊松比 0.3，密度 7.89kg/m3，許用應(yīng)力取為600MPa。

2.7 預(yù)緊力的施加

在壓力機(jī)工作過(guò)程中，要求各接觸面間不能存在水平方向的滑動(dòng)，因此需要在各接觸面間產(chǎn)生足夠大的水平靜摩擦力，最大靜摩擦力與接觸面上的法向壓力成正比。所以需要在上橫梁、立柱、下橫梁的連接件拉桿上施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，我們選擇預(yù)緊力為1.6倍公稱力，通過(guò)計(jì)算得每根拉桿的預(yù)緊力為4000kN。實(shí)際生產(chǎn)中，預(yù)緊力的施加是通過(guò)螺栓與螺母的配合實(shí)現(xiàn)，在有限元分析中，螺栓與螺母近似聯(lián)為一體。該近似對(duì)拉桿的計(jì)算結(jié)果偏差較大，本次分析的重點(diǎn)是機(jī)身的應(yīng)力和變形，拉桿的計(jì)算結(jié)果不予考慮，該近似是合理的。

3 有限元分析結(jié)果

約束施加在地腳螺栓孔內(nèi)表面，分別限制該面的x、y、z方向的自由度；劃分網(wǎng)格時(shí)采用95單元，采用ANSYS智能網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，考慮到計(jì)算機(jī)的性能，在網(wǎng)格劃分時(shí)保證單元數(shù)在400000左右。

在工作臺(tái)面中心區(qū)域施加1.5倍公稱載荷，其應(yīng)力和位移云圖如圖3、4所示。

圖3 應(yīng)力圖

圖4 位移云圖

從應(yīng)力圖看，工作臺(tái)最大應(yīng)力在100MPa左右，且在焊縫處（整體機(jī)身的最大應(yīng)力在390MPa左右，因是局部應(yīng)力，不予考慮）。

從變形圖看，機(jī)身最大總變形在0.7mm左右，豎直方向最大變形在0.56mm（沒考慮拉桿的變形情況）。

4 模型優(yōu)化

通過(guò)上述分析可知，立柱和下橫梁的強(qiáng)度不夠，需加強(qiáng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行修改后，再次進(jìn)行計(jì)算分析。模型修改如下：上橫梁和立柱的側(cè)板厚度由原來(lái)的50mm改為60mm，下橫梁的側(cè)板由原來(lái)的50mm改為70mm，下橫梁的工作臺(tái)面由原來(lái)的130mm改為150mm，臺(tái)面下外側(cè)的立板由80mm改為150mm，內(nèi)側(cè)立板由80mm改為100mm，下橫梁整體高度加高200mm，并在臺(tái)面下加筋板。對(duì)于修改后的模型，采用兩種加載方式，一種是在工作臺(tái)面中心部分進(jìn)行加載，第二種是在工作臺(tái)面兩側(cè)進(jìn)行加載。

加載方式1如圖5所示。其應(yīng)力和位移云圖如圖6、圖7所示。

圖5 加載方式1簡(jiǎn)圖

由上述應(yīng)力和位移云圖看出，位移可以滿足要求，但工作臺(tái)處應(yīng)力較大，仍需改進(jìn)。優(yōu)化后加載方式2如圖8所示。其應(yīng)力和位移云圖如圖 9、10所示。

由上述應(yīng)力和位移云圖分析可知，在此種加載方式下，應(yīng)力和位移均在要求范圍內(nèi)。

圖6 應(yīng)力圖

5 總結(jié)

通過(guò)上述兩種加載方式的分析結(jié)果可知，不同加載方式得出的結(jié)果差異較大。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況確定加載方式，從而最終得出一個(gè)合理的結(jié)論。

圖7 位移云圖

圖8 加載方式2簡(jiǎn)圖

圖9 應(yīng)力圖

圖10 位移圖

[1]李月仙，元秀梅.基于ANSYS的注塑機(jī)前模板有限元分析[J].機(jī)械工程及自動(dòng)化，2008，（1），70-71.

[2]王春寒.在ANSYS軟件中高強(qiáng)度預(yù)緊力的施加方法[J].四川建筑，2006，（2）:140-141.

[3]博弈創(chuàng)作室.ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[5]張朝輝.ANSYS熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.