揚州鍛壓機床股份有限公司 江蘇揚州 225128

機身作為高速壓力機主要的組成部件，設備上所有的零部件都安裝在機身上，它在設備運行時承受著全部的工作變形力。因此，對高速壓力機機身合理的設計可以有效減輕壓力機承受重量，并增加壓力機機身剛度，使高速壓力機的使用壽命得到有效延長。眾所周知，高速壓力機的機身幾乎占據(jù)著整個設備的比重，對于相關企業(yè)來說，在保證機身剛度的同時，也應重視如何降低機身的制作成本，從而提高企業(yè)經(jīng)濟效益。此外，若按照傳統(tǒng)的設計分析方法進行計算，無法深入了解機身各部位的變形情況以及受力狀態(tài)，有時雖然增加了機身重量，卻達不到機身標準剛度，從而造成材料的浪費。因此，為了充分利用材料性能，提高產(chǎn)品設計合理性，采用有限元分析法進行優(yōu)化設計非常必要。隨著CAD建模技術的普及，應用限元分析現(xiàn)代高速壓力機結構已經(jīng)成為工程設計師首要選擇，同時也在實際應用中取得了一定成效。

1 高速壓力機機身靜力學分析

機身的靜力學分析主要是用來計算機身在固定不變的荷載情況下設備位移、應力以及應變的響應情況，即探討機身結構受到外力作用后的變形、承載力以及應變大小和分布，并排除慣性作用和阻尼力的影響，也不考慮時間因素對機身荷載的影響。結構靜力分析中結構的響應與固定不變的載荷對應，也是固定不變的，應用Femap With Nastran軟件中的靜力分析模塊對機械設備在恒定載荷作用下對應力和變形的分步進行分析和求解。

1.1 有限元模型的建立和分析

首先，本文所述的機身均采用優(yōu)質鋼板Q235-A材料進行整體焊接。根據(jù)機身結構設計的工程樣圖，利用三維設計軟件建立機身的3D模型，同時考慮到機身結構的復雜性，為了更加合理的劃分網(wǎng)格單元，并將工程問題中實際模型簡化為可以進行分析的物理模型。在進行有限元分析過程中，需要按章設備功能以及機身荷載標準值進行設計，然后建立幾何模型，這是分析的關鍵，也是成功的理論基礎。本文主要用三維軟件（SolidEdge）建立機身模型，之后再將建成的模型導入進有限元分析軟件（Femap With Nastran）中，從而完成對高速壓力機機身的數(shù)據(jù)分析。另外，依據(jù)圣維南原理（圣維南原理Saint Venant’s Principle是彈性力學的基礎性原理）得出：由于機身構建較為復雜，為了更方便、清晰的劃分結構網(wǎng)格進行有限元分析，應對機身模型的建立更加規(guī)范、合理，對于那些幾乎不會影響到機身剛度和強度的零部件，例如銷孔、螺孔、圓角等給予簡化。

1.2 有限單元網(wǎng)格的劃分

采取3D網(wǎng)格劃分方式。在有限元分析軟件中，對于3D網(wǎng)格劃分主要分為自動網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格以及六面體網(wǎng)格劃分三種形式。其中四面體網(wǎng)格可以應用于任何幾何體，劃分簡單且自動生成速度較快，在關鍵區(qū)域能使近似尺度功能以及曲度自動細化網(wǎng)格，并實現(xiàn)邊界層識別，這種劃分方式有助于面法向網(wǎng)格的細化，因此本文主要選取四面體網(wǎng)格劃分方式對機身模型進行細分。雖然網(wǎng)格分布的疏密程度很大程度上影響著計算結果的準確度，但并不是越細分網(wǎng)格計算結果就越精確。過于細分時，不僅對模型分析和計算的數(shù)據(jù)精確度沒有幫助，反而還會增加計算時間，占用更大的內存空間，從而降低計算效率。本文采取的有限元分析軟件對機身模型的具體劃分標準為：共有90580個節(jié)點以及47841個單元，劃分的質量和數(shù)量均符合標準需求[1]。

1.3 對邊界調節(jié)以及施加載荷的確定分析

閉式單點高速壓力機的機身主要通過地腳螺栓與地基相連，另外在安裝固定過程中設置有效的防扭措施，以此將機身與地面接觸的節(jié)點安排為6個自由度是最標準的設置。

機身在運行時，一般承受著來自兩個方向相反、大小相等的載荷力。本文分析的閉式單點高速壓力機的載荷力為2000KN，在分析機身的應力和變形時，依據(jù)實際經(jīng)驗，取2200kN為公稱力。另外，由于機身具有較大的重量，在分析靜力學時也要將自身的重量考慮進去，因此需要給機身施加一個向下的重力載荷。

1.4 分析結果

在三維設計軟件以及有限元分析軟件中，對高速壓力機機身3D分析模型進行計算求解，并設定靜力學分析目標。運行計算后得出高速壓力機機身等效應力云圖。分析機身等效應力圖可得出，最大應力出現(xiàn)在機身傳動曲軸前后支撐控的上半部受力區(qū)域及側窗口圓角位置，具體數(shù)值為61.448MPa。此外，機身的屈服強度為235MPa，應力為125MPa，安全系數(shù)為S=3.83，因此，該機身在承受荷載是，其所受的最大應力等均滿足設計需求，并且整個機身受力以及變形較為均勻，所以此機身的結構設計均合理[2]。

2 高速壓力機機身模型分析

隨著機身運行次數(shù)的增加，作為最重要的設備載體，機身很容易產(chǎn)生震動和噪音。在對機身結構設計前，必須將以上因素考慮進行，通過對設計結構進行動力學分析，從而確保機身的抗振性能。為了進一步達到機身降噪、減振效果，在對機身進行有限元分析過程中，應提出以下模型分析評價指標：①模型頻率需要錯開設備經(jīng)常工作的頻率；②機身的低階固有頻率要避開高速壓力機工作頻率。機身的固有頻率和振型是在設計動態(tài)載荷結構中重要數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，對高速壓力機的機身進行模態(tài)分析時，必須得到與固有頻率相對應的模態(tài)珍惜，然后依據(jù)設定標準，在結構設計時使機身模態(tài)頻率滿足標準要求，從而降低機身共振。

本文通過對閉式單點高速壓力機機身進行有限元分析，得出了以下結論：應用有限元分析軟件能精準的計算出機身在不同位置下應變以及應力的分布情況，并依據(jù)其在公稱荷載作用下的分析結果，可確定高速壓力機機身的應力、結構分布以及應變設計均在合理范圍內。

綜上所述，應用有限元分析法不僅能提高高速壓力機機身的結構設計質量，還能有效縮短工程師的設計周期，并降低設計成本以及能源消耗，從而有效提高設備整體技術性能。