呂小強(qiáng)

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

萬噸自由鍛油壓機(jī)，于2021 年元月份北側(cè)缸進(jìn)油口出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有裂紋。此壓機(jī)為缸梁一體的壓機(jī)，與缸梁分體式結(jié)構(gòu)相比，此壓機(jī)既要承受工作中油壓沖擊的力量又要承受鍛壓沖擊及設(shè)備本體的支撐力，屬于交變應(yīng)力的工作性質(zhì)，在實(shí)際生產(chǎn)中，壓機(jī)的拉桿和橫梁等主要受力部件往往因?yàn)閴毫^大而導(dǎo)致變形、損壞。對(duì)于大型的油壓機(jī)而言，立柱、橫梁等部件的更換和維修費(fèi)用很高，所以必須在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行充分的計(jì)算分析，以保證油壓機(jī)的性能和壽命[1]。

1 實(shí)體建模與網(wǎng)格化

1.1 實(shí)體建模

建模的方法：

（1）直接建模，直接創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)和單元，模型中沒有實(shí)體。

（2）實(shí)體建模，創(chuàng)建由關(guān)鍵點(diǎn)、線段、面和體構(gòu)成的幾何模型，然后用網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點(diǎn)和單元。

（3）輸入在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中創(chuàng)建實(shí)體模型。

此模型通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Creo，自下而上進(jìn)行實(shí)體建模，模型的關(guān)鍵尺寸與實(shí)體一致。

由于基礎(chǔ)梁為鑄件，屬于一個(gè)整體，在建模過程中可認(rèn)為是一個(gè)實(shí)體并且材質(zhì)一致。模型整體是對(duì)稱的，但是由于三個(gè)缸的進(jìn)油孔開孔方向不相同，所以為了確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，建模、網(wǎng)格化、加載分析最好是一個(gè)完整的實(shí)體模型，但同時(shí)也增加了計(jì)算機(jī)分析計(jì)算的工作量。

通過Creo 建模，再使用Geometry 導(dǎo)入外部文件模型,（ImportExternalGeometryFile...）選擇單位Units,選取工制單位Meter 或者M(jìn)illimeter，外部軟件建模的單位必須與導(dǎo)入后選取的單位一樣，以便后期的分析計(jì)算。

圖1 基礎(chǔ)梁有限元模型

1.2 網(wǎng)格劃分

從力學(xué)上講，有限元法是將連續(xù)體劃分為有限個(gè)規(guī)則形狀的微小塊體，把每個(gè)小塊體成為單元，兩相鄰單元直接只通過若干點(diǎn)互相連接，把作用于各單元上的外載荷，按虛功能原理化成各單元的等效結(jié)點(diǎn)載荷向量，用規(guī)劃后的有限個(gè)小單元的集合體，代替原來的連續(xù)體[2]。

實(shí)體模型是無法直接用來進(jìn)行有限元計(jì)算的，故需對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)格劃分以生成有限元模型。

1.2.1 實(shí)體模型的材料定義

劃分前材料屬性的定義，此基礎(chǔ)梁的材料為：鑄鋼20Mn5，屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn)。所以在材料屬性中需要重新定義或新建材料庫。

在材料庫Engineering 中新建Newlibrary。

表1 20Mn5 材料屬性

表2 材料主要性能參數(shù)

1.2.2 網(wǎng)格劃分

Ansys 有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它將直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析的精確性。

網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算機(jī)精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)綜合考慮兩個(gè)因數(shù)[3]。

圖2 網(wǎng)格化

有限元法是以結(jié)點(diǎn)參數(shù)作為基本未知量，根據(jù)所取結(jié)點(diǎn)的基本未知量不同，可將其分為：①位移法以結(jié)點(diǎn)位移作基本未知量。②力法以結(jié)點(diǎn)力作基本未知量。③混合法以部分結(jié)點(diǎn)位移和部分結(jié)點(diǎn)力作基本未知量。

此模型約274 噸，屬于較大實(shí)體模型。在網(wǎng)格劃分物理環(huán)境選擇Mechanica（l機(jī)械結(jié)構(gòu)），綜合上述兩個(gè)因數(shù)，選擇RelevanceCenter（各相關(guān)中心）Medium 中等水平，Inflation（膨脹層）選擇程序自動(dòng)劃分。

2 加載分析計(jì)算

2.1 加載荷和約束

（1）載荷簡(jiǎn)化計(jì)算和加載。缸梁重量：按密度為工況油壓為7.81×103Kg/m3的體積均布載荷施加缸體體內(nèi)壓力：按照實(shí)際42MP 施加在三個(gè)缸體內(nèi)壁包括進(jìn)油口。

（2）約束。液壓機(jī)是大型機(jī)械，采取強(qiáng)力穩(wěn)定（地鉚等）措施，所以可將下底面（包括下橫梁的下底面、兩側(cè)的下底面）實(shí)行全約束。另外缸梁上面為移動(dòng)平臺(tái)，認(rèn)為不受約束。

基礎(chǔ)梁材料為20Mn5，屈服強(qiáng)度360Mpa，抗拉強(qiáng)度500-650Mpa，在施加約束時(shí)，充分考慮缸體的實(shí)際情況，缸梁地面進(jìn)行自由度約束，對(duì)三個(gè)缸的內(nèi)壁分布42Mpa 的壓力。實(shí)際工況中基礎(chǔ)梁底部?jī)蓚?cè)通過預(yù)埋的地腳螺栓連接固定，上部是移動(dòng)工作平臺(tái)，工作中基礎(chǔ)梁除了承受油壓的力量外還要承受自身重量和沖擊載荷，此次仿真主要以油壓為主，采用最大壓力42Mpa，靜態(tài)模擬。

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 計(jì)算原理

（1）單位位移模式與形函數(shù)：根據(jù)連續(xù)體力學(xué)問題的力學(xué)模型特點(diǎn)，選取合適的單元（考慮單元形狀、大小和自由度數(shù)），將連續(xù)體離散化。

（2）單元應(yīng)變與應(yīng)力：在力的作用下，物體會(huì)產(chǎn)生變形。一點(diǎn)（x=[x,y,z]T）的變形由它的位移的三個(gè)分量來表示[4]。

對(duì)于單位體積的分布力，如單位體積的重力，由矢量f來表示。

作用在微小體元dV 上的應(yīng)力,假設(shè)當(dāng)體積微元dV 收縮為一個(gè)點(diǎn)時(shí)，雖然可以將應(yīng)力張量的分量寫成一個(gè)（3×3）的對(duì)稱矩陣，但實(shí)際習(xí)慣用6 各獨(dú)立分量來表示，即：

其中，σx，σy，σz為正應(yīng)力。τyz，τxz，τxy為切應(yīng)力。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

本文根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)選取了最大工作壓力進(jìn)行計(jì)算，Press=42MPa，油壓機(jī)滿載工況下缸梁受力的位移和應(yīng)力變形情況。

對(duì)所建模型施加載荷、約束后，通過求解靜力分析的控制方程即可求得結(jié)構(gòu)再各節(jié)點(diǎn)的位移向量[u]，同時(shí)也得到各單元在各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及單元所承受的載荷。靜力分析控制方程式如下[5]：

式中[u]─位移向量。[k]─剛度矩陣。[σ]─載荷向量。

由圖3 所示，基礎(chǔ)梁最大位移為：1.1267mm，最大位移處在兩個(gè)缸體中間部位，其余部位均在1.0mm 以下，總體變形不大，相對(duì)于油缸尺寸，在安全范圍以內(nèi)。由圖4 顯示最大等效應(yīng)力為279.4MPa，且最大應(yīng)力變形處在三個(gè)進(jìn)油口內(nèi)部。

圖3 基礎(chǔ)梁位移變形

圖4 基礎(chǔ)梁應(yīng)力分布最大處－內(nèi)部進(jìn)油孔

3 結(jié)果分析

（1）由圖圖3 結(jié)論得知位移變形量在允許范圍內(nèi)。大部分在1.0mm 以下。位移最大的發(fā)生處在缸體的腰部，三個(gè)缸的進(jìn)油口其中兩個(gè)相鄰缸的開口方向一致，建議將三個(gè)進(jìn)油口間隔開口。

由圖5 可見這樣的進(jìn)油方向?qū)τ诟琢簛碚f受力是偏載的，而圖6 的進(jìn)油方向?qū)τ诟琢簛碚f是相對(duì)平衡的，對(duì)于缸梁內(nèi)部的受力相互抵消的相對(duì)平衡。在一定程度上減少了缸梁的交變應(yīng)力。后續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，再次進(jìn)行有限元分析，通過分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)定。

圖5 原油壓進(jìn)油方向 圖6 優(yōu)化后進(jìn)油方向

（2）由圖4 所示可以看出最大等效應(yīng)力為279.4MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖中紅色部位,即油缸進(jìn)油口?150mm 洞口內(nèi)部的倒角處，倒角R50mm。ZG20Mn5 的屈服強(qiáng)度360MPa。

2.9.4 MPa≦360MPa，可見，油缸的缸壁厚度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

（3）壓機(jī)出現(xiàn)疲勞裂紋處就發(fā)生在油缸進(jìn)油口?150mm 洞口內(nèi)部，裂紋沿著內(nèi)壁向下延伸260mm。這也驗(yàn)證了疲勞裂紋發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)。

4 結(jié)論

（1）通過分析驗(yàn)證了疲勞裂紋發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)與實(shí)際發(fā)生裂紋處一致。計(jì)算顯示應(yīng)力集中區(qū)就在?150mm 洞口內(nèi)部的上、下區(qū)域。建議優(yōu)化此處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）位移變量最大處在缸體腰部位置，建議將三個(gè)進(jìn)油口的開口間隔開，即兩側(cè)缸開口方向朝一個(gè)方向，中間缸方向朝另外一個(gè)方向，從而基礎(chǔ)梁的受力相對(duì)平衡一些。

（3）介紹了ANSYS 軟件在油壓機(jī)建模分析過程中的方法，特別是材料屬性的定義和網(wǎng)格化的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為大家提供一定的參考。

（4）介紹了ANSYS有限分析的位移與應(yīng)力的計(jì)算的基本原理。

（5）計(jì)算了缸梁一體的油壓機(jī)在工作時(shí)的位移和受力情況，指出了油壓機(jī)應(yīng)力集中區(qū)，為油壓機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供借鑒。