10000kN熱模鍛壓力機有限元分析

2012-08-16 07:43:14陸愛國朱新武孫成建

鍛壓裝備與制造技術 2012年6期

陸愛國，朱新武，孫成建

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇揚州225128）

1 概述

采用ANSYS軟件對10000kN熱模鍛壓力機整體進行有限元分析。此壓力機的設計一定程度上還依賴于傳統的材料力學設計方法。該法存在不足，用來計算彎矩和應力的慣性矩不是整個結構上的精確計算值，而是一個近似值；這樣就可能導致計算結果存在誤差，造成機架過于笨重等缺陷。這就需要引入比較有效的現代設計手段，利用有限元法進行驗證和優化。

2 技術方案分析

2.1 有限元分析模型的建立

在進行有限元分析之前，首先需要將分析對象的結構模型轉換為便于分析的結構分析模型或力學模型。為保證全面反映機身的應力應變情況，同時使有限元模型得到簡化，確定了以下6條建模原則：①對于明顯不會影響機身整體強度、剛度的部位，如螺釘孔、銷孔、圓角等予以簡化；②認為焊接質量可靠，且不考慮焊接對各板傳力的影響；③將導軌看成自由界面，滑塊與導軌之間無力的傳遞；④地腳螺栓剛度無限大，不考慮地基及機身以外部件彈性變形；⑤為了減少復雜的非線性計算，在不影響精度的情況下，將拉桿與螺母作為一個零件進行建模；⑥機身部件在左右兩個方向上大都是對稱的，載荷也是完全對稱的。

由此，在有限元分析中采用常見的二分之一模型劃分網格。在結構對稱面上施加對稱約束條件。減少工作量，節約時間。

利用SolidWorks建立的二分之一實體模型如圖1所示。

圖1 壓力機結構示意圖

2.2 結構分析

熱模鍛壓力機一般是曲柄式機械壓力機。該壓力機的尺寸和重量較大，所以壓力機采用組合框架式機架，即將上、下橫梁和兩側的立柱分別制造，再用大型螺栓組合在一起（圖1）。通過拉桿施加的預緊力將上橫梁、下橫梁以及立柱預緊在一起，組成一個封閉框架。組合框架結構中，為防止壓力機工作時組合機身的結合面出現間隙，安裝機身時必須給壓力機一定的預緊力。在預緊模態，機架只受預緊力作用；而在工作模態，除預緊力外，上橫梁液壓缸位置作用有工作載荷，下橫梁工作臺面也有工作載荷。其受力簡圖如圖2所示，其中Pz為作用在機架上預緊力，P為作用在機架上的工作載荷。作用在上橫梁底面上的力與作用在下橫梁工作臺上的力形成一封閉力系。對液壓機分析的坐標采用三維直角坐標系，z向為豎直方向，xy平面為水平面，其中x向和z向方向如圖中所示。

該型號熱模鍛壓力機公稱力為10000kN，根據熱模鍛壓力機的工況，采用15000kN進行加載計算。

圖2 組合機身受力簡圖

2.3 立柱受力分析

根據實際工況，鍛造時產生的壓力通過滑塊、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，在分析過程中，我們把作用力近似為均勻載荷。根據工程經驗，加載到圓孔上部三分之一的圓弧面上，加載力為15000kN。為了簡化加載過程，換算到圓弧面的投影面積上，投影面為 440×528（mm2），計算得到均布載荷為P=32.28MPa。

2.4 約束施加

約束條件是有限元結構分析的一個重要內容，約束條件確定得正確與否也是計算成敗的關鍵。約束處理必須遵循以下原則：①有足夠的約束，使結構消除剛體運動的可能，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。因為多余約束會使結構產生實際不存在的附加約束力，從而增加部件的計算剛度，使計算結果失真。

根據實際工況，在本次分析中，采用螺栓孔作為約束面，約束其三個方向的自由度。

2.5 分析指標的確定

根據熱模鍛壓力機的性能指標及一般設計標準，我們選擇壓力機上、下橫梁和立柱的應力值和z向撓度作為此次有限元分析的指標參數。

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，許用應力取為600MPa。

2.7 預緊力的施加

在壓力機工作過程中，要求各接觸面間不能存在水平方向的滑動，因此需要在各接觸面間產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的預緊力。根據工程經驗，我們選擇預緊力為1.6倍公稱力，通過計算得每根拉桿的預緊力為4000kN。實際生產中，預緊力的施加是通過螺栓與螺母的配合實現，在有限元分析中，螺栓與螺母近似聯為一體。該近似對拉桿的計算結果偏差較大，本次分析的重點是機身的應力和變形，拉桿的計算結果不予考慮，該近似是合理的。

3 有限元分析結果

約束施加在地腳螺栓孔內表面，分別限制該面的x、y、z方向的自由度；劃分網格時采用95單元，采用ANSYS智能網格劃分工具進行單元劃分，考慮到計算機的性能，在網格劃分時保證單元數在400000左右。

在工作臺面中心區域施加1.5倍公稱載荷，其應力和位移云圖如圖3、4所示。

圖3 應力圖

圖4 位移云圖

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

從變形圖看，機身最大總變形在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 模型優化

通過上述分析可知，立柱和下橫梁的強度不夠，需加強。根據經驗，對模型進行修改后，再次進行計算分析。模型修改如下：上橫梁和立柱的側板厚度由原來的50mm改為60mm，下橫梁的側板由原來的50mm改為70mm，下橫梁的工作臺面由原來的130mm改為150mm，臺面下外側的立板由80mm改為150mm，內側立板由80mm改為100mm，下橫梁整體高度加高200mm，并在臺面下加筋板。對于修改后的模型，采用兩種加載方式，一種是在工作臺面中心部分進行加載，第二種是在工作臺面兩側進行加載。

加載方式1如圖5所示。其應力和位移云圖如圖6、圖7所示。