基于ANSYS的壓力機工作臺受力分析

田世領，何燦燦昆，端武治

（揚州鍛壓機床股份有限公司，江蘇揚州225128）

0 引言

近年來，為提高壓力機加工能力，世界各國在不斷增大壓力機的噸位和運行速度，目前國產通用機械壓力機的最大壓力已達26000kN。工作臺是壓力機的重要零件之一，其強度是限制壓力機加工性能的主要因素，因而已成重點研究課題。而工作臺的剛度分析也非常重要，如果工作臺彎曲剛度不夠，則會在一定程度上惡化機身、滑塊等重要零件的工作條件，影響壓力機的工作精度和可靠性[1-2]。一般，工作臺結構尺寸憑借經驗設計方式相對較多，但經驗設計對于不同的設計者差異較大，往往計算量較大、設計周期較長。隨著計算機技術的發展，研究人員開始致力于分析計算的方法，逐步使壓力機輕量化，有效節約資源。

為實現壓力機的輕量化和高精度加工，提高加工性能，本文利用模擬實體的有限元分析方法對壓力機工作臺進行強度和剛度分析。

1 工作臺建模與分析

1.1 模型簡化

為了更好地模擬工作臺的受力狀況，建立工作臺、上梁和立柱的仿真模型，對其施加載荷和約束條件，分析其剛度和強度。工作臺結構較復雜、尺寸較大，為了便于分析計算，對工作臺進行適當簡化[3-4]：①在建立模型時，忽略一些小孔、螺釘孔及倒角，以簡化結構形狀，減少網格劃分難度和計算時間；②去掉工作臺上的T型槽結構，取工作臺上模具的工作面積作為施加載荷面；③去掉底座固定零件，對工作臺4個地腳螺栓孔施加約束，模擬底座的固定。

1.2 工作臺實體模型

由壓力機的結構和工作原理，以及工作臺的約束可知，若只對工作臺進行建模分析，則無法模擬出上梁及立柱等零部件受力對工作臺的影響，因此必須建立工作臺、立柱和上梁三部分的模型，工作臺嚴格按照零件圖尺寸建模。立柱和上梁不是分析的重點，所以只建立簡化模型，所建Solidworks實體模型如圖1所示。

圖1 實體模型

1.3 單元及材料特性參數定義

在分析中采用Solid95單元，網格劃分形式采用自由網格劃分，其網格模型如圖2所示。工作臺材料為Q235-A，彈性模量取212GPa，泊松比取0.288，材料密度取7860kg/m3[5-6]。

圖2 整體網格模型

1.4 載荷及邊界條件的施加

有限元分析中，約束條件處理必須遵循兩個原則：①有足夠的約束；②不允許多余約束。工作臺為鋼板焊接結構，因其焊接部位較多，且在有限元分析中較難分析其焊接質量，因此，在本次分析中，將整個工作臺看作一個整體進行分析。在結果的后續處理中重點分析焊接處應力狀況[7-8]。因此在上述分析中，分析結果的剛度和強度比實際狀況偏大，工作臺的載荷及邊界條件如圖3、圖4所示。

圖3 工作臺載荷

圖4 工作臺邊界條件

取工作臺模具的工作面積和與上梁的對應面積為施加壓力載荷部，壓力大小分別為2.25MPa、2.1MPa。取工作臺的四個螺栓孔作為固定約束，約束其x，y和z三個方向的位移。設定y（豎直）方向的慣性加速度為9.8 m/s2，模擬重力作用。

2 結果分析

2.1 剛度分析結果

剛度分析結果如圖5、圖6所示。由圖5可知，整體結構工作臺的最大位移為0.629mm，分塊結構為0.986mm；由圖6可看出，整體結構工作臺垂直方向上的最大位移為0.229mm，分塊結構為0.579mm。

圖5 工作臺總位移

圖6 工作臺垂直方向位移

2.2 強度分析結果

強度分析結果如圖7～10所示。

圖7 整體等效應力云圖（0～60MPa）

圖8 整體等效應力云圖（0～120MPa）

圖9 底部等效應力云圖（0～60MPa）

圖10 底部等效應力云圖（0～120MPa）

由工作臺的整體等效應力云圖（圖7～8）可知，從工作臺的外部來看，兩種結構工作臺的應力大部分在120MPa以下，部分區域的應力較大。

由工作臺底部等效應力云圖可以看出，整體結構的安裝連接螺母的鋼板與其垂直鋼板的連接處最大應力為93MPa，分塊結構為243MPa，其余地方應力均較小。最大應力處為鋼板焊縫處，因焊接質量難以保證，焊接強度較整體強度偏低，所以，此處為整個工作臺的危險位置。

3 結論

（1）根據有限元基本理論和方法，利用有限元軟件ANSYS對壓力機工作臺強度和剛度進行分析。

（2）仿真結果表明，整體結構工作臺的最大應力較分塊結構小250MPa，為約束（有限元分析時施加在圓孔上的約束）引起的集中應力，其實際值遠小于分析值，可不予考慮。整體結構的底板和肋板連接處的最大應力較分塊結構小150MPa，位于鋼板的焊接位置處，為工作臺的危險位置，其余位置應力較小，均在120MPa以下，因此整體結構工作臺的設計較好，分塊結構的設計存在缺陷，不能滿足使用要求。

（3）所做研究為合理設計壓力機工作臺結構、實現壓力機的輕量化提供了理論參考。

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