基于ANSYS的井、米字型液壓壓力矯直機主機機體的比較分析

蘭加標 ，傅波 ，王文亞 ，劉德江，衛平

（1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065；2.成都萊克冶金機械設備制造有限公司，成都 610041）

1 引言

液壓壓力矯直機是棒材生產過程中廣泛采用的一種矯直設備。它采用“三點”矯直的原理，將棒材支承在兩個活動支點（砧座）之間，然后用液壓壓頭對準最彎部位進行反向壓彎，當壓彎量與工件彈復量相等時，壓頭撤回后棒材的彎曲部位變直，從而達到矯直的目的［1］。矯直機主機是矯直執行設備，其上安放有矯直用液壓缸和砧座，其機體通過地腳螺栓固定在地基上，如圖1 所示。矯直時，主機機體和地腳螺栓承受著矯直反作用力。如果機體結構設計不合理，剛度達不到要求，機體將會出現應力集中和較大的變形，從而影響主機的壽命和棒材的加工精度。由于主機機體的制造成本很高，因此在制造之前，對機體結構設計的合理性進行分析就顯得非常重要。在前期的研究中，我們對主機機體的結構進行了有限元分析［2］，為結構優化打下了基礎。本文針對井字型和米字型兩種主機機體結構類型，運用ANSYS Workbench 對結構的應力分布和變形進行分析，確定了合理的主機機體結構形式，為液壓壓力矯直機的設計制造提供參考。

圖1 主機機體與地基聯接簡圖

2 主機機體、地腳螺栓和地基裝配體有限元模型的建立

2.1 三維實體建模及網格劃分

圖2 井字型底板結構

圖3 米字型底板結構

井字型底板和米字型底板兩種主機機體結構分別如圖2 和圖3 所示。機體 長 4670mm，寬2740mm，高2150mm。采用三維CAD設計軟件SolidWorks 建立矯直機主機機體、地腳螺栓與混凝土地基的實體模型，然后導入到ANSYS Workbench中。采用自動網格劃分，單元尺寸設置為0.1m，得到201842個節點、99913 單元［4］。裝配體網格模型如圖4 所示。表1 給出了裝配體材料性能參數。

2.2 約束與載荷處理

圖4 矯直機主機機體、地腳螺栓與混凝土地基有限元網格模型

表1 裝配體材料性能參數

2.2.1 約束處理如圖1 所示，20個預埋在混凝土地基上的地腳螺栓將矯直機主機機體緊緊地固定在地基上面。地腳螺栓埋在混凝土中，地腳螺栓與地基之間的接觸，采用綁定（Bonded）類型；主機機體底面與混凝土地基之間的接觸，采用摩擦（Frictional）類型，摩擦系數設置0.2；螺母與主機機體之間的接觸，采用摩擦（Frictional）類型，摩擦系數設置0.2；螺母與地腳螺栓之間的接觸，采用綁定（Bonded）類型。混凝土地基下表面完全約束，添加固定支撐。

2.2.2 載荷施加

主機機體兩砧座之間的距離為500～2500mm，分析時取砧座距離為2500mm。每個砧座表面施加6.67MN的力，方向垂直于砧座表面向里。主液壓缸頂出頭端面施加13.34MN的力，方向垂直表面向里。地腳螺栓施加1MN的預緊力。主機機體載荷施加如圖5 所示。整個模型施加載荷和約束后的模型如圖6 所示。

圖5 主機機體載荷施加示意圖

圖6 施加載荷和約束后的模型

3 井字型和米字型主機機體結構的強度和剛度分析

3.1 井字型底板主機機體強度和剛度分析

當砧座之間的跨度為最大時（2500mm），進行有限元計算，主機機體、地腳螺栓與混凝土地基裝配體的應力和總變形分布云圖如圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出，最大應力集中在螺母上，為1043.5MPa；主機機體較為薄弱處應力為322.7MPa；地腳螺栓受到的最大應力為413.4MPa。最大總變形量出現在砧座上邊緣，為3.8mm。

圖7 井字型底板裝配體應力分布云圖

圖8 井字型底板裝配體總變形分布云圖

3.2 米字型底板主機機體強度和剛度分析

壓力矯直機主機機體上砧座之間的距離最大時（2500mm），執行有限元計算，裝配體模型的應力和總變形分布云圖如圖9 和圖10 所示。最大應力主要集中在螺母，為885.8MPa；主機機體較為薄弱處應力為360.9MPa；地腳螺栓受到的最大應力為334.4MPa 左右。最大總變形量出現在砧座上邊緣，為4.2mm。

圖9 米字型底板裝配體應力分布云圖

圖10 米字型底板裝配體總變形分布云圖

3.3 兩種主機機體結構的對比分析

井字型和米字型主機機體在載荷和約束條件都一致的情況下，最大應力都分布在螺母上。井字型結構的最大應力為1043.5MPa，米字型結構的最大應力為885.8MPa。對于主機機體自身而言，其受到的最大應力，井字型結構為322.7MPa，米字型結構為360.9MPa。地腳螺栓受到的最大應力，井字型結構為413.4MPa，米字型結構為334.4MPa。最大總變形量都出現在砧座的上邊緣，井字型結構為3.8mm，米字型結構為4.2mm。

主機機體材料抗拉強度在470～630MPa 之間，地腳螺栓的抗拉強度在600～800MPa 之間，螺母的抗拉強度在800～900MPa 之間。從有限元分析的結果可以看出，兩種結構主機機體的強度滿足要求；井字型結構的螺母受到的最大應力超出了螺母的抗拉強度，米字型結構的螺母滿足抗拉強度的要求；米字型結構的地腳螺栓受到的應力總體比井字型結構小；兩種結構機體的總變形量相差不大。考慮各個主要零件的強度，米字型底板的主機機體結構比井字型底板的主機機體結構更為合理。

4 結語

本文運用SolidWorks 與ANSYS Workbench 軟件實現設計-仿真的同步協同，對井字型和米字型底板結構的液壓壓力矯直機主機機體、地腳螺栓與混凝土地基裝配體進行了有限元分析。通過對比分析兩種結構類型中相同零件的強度和剛度，并綜合考慮其他相關因素，得出了井字型底板的主機機體比米字型底板的主機機體更加合理的結論。根據本文研究結果制造的井字型機體壓力矯直機目前已在工廠使用，該機工作動作平穩，鋼棒矯直精度滿足要求。本文的分析方法和分析結果可為類似的壓力矯直機結構設計提供參考。

［1］崔甫.矯直原理與矯直機械［M］.北京：冶金工業出版社，2002.

［2］梅若愚，傅波.基于ANSYS的15MN 液壓壓力矯直機主機機體的有限元分析［J］.機械工程師，2011（2）：83-85.

［3］梅若愚，傅波.基于ANSYS Workbench的分體式壓力矯直機主機機體結構優化［J］.液壓與氣動，2012（3）：66-68.

［4］汪宇，王東方.基于AWE的立式加工中心床身優化設計［J］.微計算機信息，2010，26（1）：130-131.