SP-160開式壓力機機身的有限元分析及優化

魏鳳凱，王四森，李樂鑫，岳 磊，陸 冰

（山東高密高鍛機械有限公司 研發部，山東 濰坊 261500）

SP-160開式壓力機機身的有限元分析及優化

魏鳳凱，王四森，李樂鑫，岳 磊，陸 冰

（山東高密高鍛機械有限公司 研發部，山東 濰坊 261500）

通過對SP-160型開式壓力機機身的受力進行有限元分析及計算，研究在公稱壓力下機身各部位的變形和應力分布，依此對機身結構進行優化設計。使用SolidWorks進行機身的有限元三維模型的創建，利用ANSYS和SolidWorks的接口直接導入ANSYS Workbench，對機身進行強度和剛度分析，根據分析結果在SolidWorks中完成機身三維模型結構的改進，從而達到減輕自重、降低成本的目的。

開式壓力機；機身；有限元分析；優化設計

機身作為壓力機的基礎，由于其結構復雜，其設計是整個設計過程的基本部分。機身重量占壓力機自重的一半多，在壓力機整機加工工時上機身加工更是占到20%～30%。壓力機的傳動系統、工作機構、油路、氣路等都安裝在機身上，機身起到聯接各個部件的作用，還需要能承受所有工作變形力。若機身在變形力的作用下發生過大的彈性變形則會直接導致沖壓件的質量下降及模具壽命減短。除此之外，機身還將吸收壓力機工作機構循環往復運動產生的振動。所以在壓力機設計中，研究機身設計的合理性對減輕整機重量、提高整體剛度、縮短制造時間、美化外形、提高沖壓件質量具有重大意義。本文以SP-160型開式曲柄壓力機機身作為研究對象，設計機身的整體結構及對機身進行優化，以求得到性能最優、材料最省的機身外形。

1 建立機身三維模型

本文涉及的SP-160型壓力機機身的左右總寬度由放置在其中的傳動系統、工作執行機構的尺寸所決定，寬度初定為1120mm，根據用戶要求的操作高度、裝模高度及傳動和執行機構的高度初步確定機身高度為3810mm，考慮伺服電機的安裝尺寸、壓力機設計時對機身的剛度要求初定機身的前后長度為2035mm。此外，設計時還應在應力易集中部位給予加強厚度處理，如在左右側板處增加加強筋，厚度為100mm；墊板承受沖裁力，取厚度180mm；主要受力支撐部位如曲軸支撐板、工作臺支撐板處厚度取50mm；在機身與各傳動軸接觸處增加凸臺。其余各處板厚可適當小些，有利于機身整體的輕量化，從而節約制造成本。初步設計出來的機身外形如圖1所示。

圖1 機身結構圖

2 建立有限元模型

將SolidWorks軟件中建立的三維模型利用SolidWorks和ANSYS軟件的接口直接導入Workbench中進行分析。將機身上的管路孔、吊裝孔、不受力的凸臺等忽略，同時保留主要受力的支撐筋板、側板處的加強筋板、曲軸等傳動軸的凸臺、各處過渡圓角等。定義結構鋼Structural Steel作為有限元模型的材料類型，其密度為ρ=7.85×103kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.2×105MPa。Workbench可根據不同的分析類型進行網格的自動劃分，對于精度要求高的區域會自動調整網格密度，從而提高網格的質量[1]，本文選擇Hex Dominant網格類型，進行網格劃分。在機身的四個地腳螺栓孔處添加固定約束，從而得到機身的有限元模型，如圖2所示。

圖2 機身有限元模型

3 機身載荷的分析

3.1 曲軸支撐孔處的載荷處理

分析傳動機構中各部件的受力可以得到機身各處的受力情況。由SolidWorks軟件得到的下死點處各部件的受力簡圖如圖3所示（單位：t），可知機身曲軸支撐孔處受力為F1=334.9kN。

圖3 SP-160壓力機傳動機構受力簡圖

曲柄伺服壓力機的曲軸和其支撐孔表面在無變形時貼合在一起，此時的接觸可視為協調接觸[2]。根據接觸弧α隨載荷P的變化曲線和對α不同值的壓力分布，當軸和孔為間隙接觸時，接觸弧近似為90°，則其壓力分布近似為余弦分布[3]，由此可知軸與孔接觸弧處的壓力分布為：

式中：Fm——曲軸支撐孔上部分的載荷。

將支曲軸撐孔上半部分均分，如圖4所示，則有：

圖4 曲軸支撐孔受力分解示意圖

式中：F1——曲軸支撐孔上半部分所受力；

?——曲軸支撐孔直徑；

b——曲軸支撐孔與曲軸接觸處的軸向寬度。

由此可得軸頸與孔接觸處等效均布載荷p1：

3.2 墊板處的載荷處理

機身墊板處受力為曲柄伺服壓力機在工作狀態下工作執行機構所產生的公稱壓力Fg，故墊板上表面所受載荷為均布載荷，代入Fg和A的值，可得到底座上表面的均布載荷p2：

式中：Fg——公稱力，Fg=1600kN；

A——墊板上表面受力面積，A＝0.7m×0.58m= 0.406m2。

4 靜態分析結果

4.1 應力場分析

將上面計算的載荷加載到機身上，運行計算，得到等效應力分布云圖，如圖5所示。

由于曲柄伺服壓力機機身工作狀態下所受的力是呈現脈動循環變化的力，所以此時Q235-A在脈動循環下的疲勞極限σ0[4]：

圖5 機身等效應力分布云圖

式中：σ-1——材料在脈動對稱循環下的疲勞極限，σ-1=170MPa；

ψ——彎曲應力下材料特性常數，ψ=0.2。

而機身材料 Q235-A本身的屈服強度 σs=235MPa，σ0＞σs，故應選擇σs作為許用應力計算的標準，計算出許用應力[σ0]：

式中：s——開式壓力機工作的安全系數。

由機身的等效應力云圖可以看出：機身的高應力區集中在外側板的過渡圓角、墊板支撐板的過渡圓角、曲軸支撐孔的凸臺上部分三處。其中外側板自上面數第一過渡圓角和墊板支撐板處出現機身的最大應力區，達到109.59MPa；第三過渡圓角處的應力次之，其值也較大，達到85.238MPa；第二過渡圓角處應力偏小，為60.885MPa。出現這種現象的原因是第一過渡圓角和墊板支撐板處的板厚沒有加強且其圓角尺寸較小，在對機身進行優化時可以這些部位進行加厚或加大圓角尺寸處理。機身其他部位的應力較小，均在50MPa以下，故機身設計滿足強度要求，且仍有優化空間。

4.2 變形場分析

圖8 機身Y方向位移圖

圖9 機身Z方向圖

機身的變形結果如圖6～9所示。

表1 靜力分析變形結果總結表

由圖6～9可將機身變形分析結果總結如表1所示。

機身的角變形在壓力機工作時會造成整臺壓力機的角變形，故研究機身的變形，最主要還是需要研究其角變形[5-6]。機身的角變形α：

式中：α1——導軌的角變形，近似得：

α2——墊板平面的角變形，近似得：

式中：L1——導軌上兩點間距；

Y1、Y2——兩點的Y向變形量；

L2——墊板上兩點間距；

Z1、Z2——兩點的Z向變形量。

在Workbench后處理里可以將變形結果映射到相應路徑上，定義導軌上的一條路徑沿Y軸的位移，墊板上的一條路徑沿Z軸的位移，定義多條路徑計算角變形后取平均值可得機身角變形：

5 機身基于SolidWorks的優化

將載荷加載到機身上，在SolidWorks軟件中運行計算，可以得到機身上應力集中的部位，再利用優化模塊，選定其中可以進行優化的部位：曲軸支撐孔的凸臺、側板的過渡圓角、墊板的支撐板三處尺寸，運行優化，最終得到機身的三種優化方案。再將優化后的機身模型導入ANSYS Workbench中進行靜態分析，得到各方案的最大應力、角變形和機身總重量，匯總結果如表2所示。

表2 機身優化方案和靜態分析結果

6 結論

綜合各方案可以看出，優化方案二應力更小，變形小，機身重量增加了13.9%；優化方案一應力較大，變形也大；優化方案三機身重量比優化方案二輕，但此方案側板長度增加，機身結構比前兩種方案松散。綜上所述，選擇優化方案二作為機身的優化最終結果更合適。

[1]劉 偉，高維成，于廣濱，等.ANSYS 12.0寶典[M].北京：電子工業出版社，2010.

[2]K.L.Johnson.接觸力學[M].北京：高等教育出版社，1992：134-137.

[3]秦為前，等.基于ANSYS的壓力機曲軸的有限元分析[J].煤礦機械，2011，32（9）：98-100.

[4]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]張貴成，阮衛平，等.閉式單點壓力機機身的有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（1）.

Finite element analysis and optimization of frame for SP-160 open press

WEI Fengkai，WANG Sisen,LI Lexin,YUE Lei，LU Bing
（R&D department,Shandong Gaomi Gaoduan Machinery Co.,Ltd., Weifang 261500,Shandong China）

The finite element analysis and calculation have been conducted to the frame of SP-160 open press. The deforming and stress distribution of press frame have been studied under the nominal pressure.Thus in this way,the optimized design has been done to the frame structure.The Solidworks has been adopted to establish the finite element 3D model for the frame.The ANSYS Workbench has been lead in directly to analyze the strength and rigidity through ANSYS and Solidworks interface.The 3D model structure has been improved as per the analysis results,which reduces the self-weight and cost.

Finite element analysis;Frame of open press;Optimized design

TG315.5

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.003

1672-0121（2016）01-0017-04

2015－08－07

魏鳳凱（1987-），男，助理工程師，從事機械設計制造及自動化研究。E-mail：weifengkaitxdy@163.com