YJK14-5000自由鍛造液壓機整機有限元分析

重慶江東機械有限責(zé)任公司 吳秀英 楊 芳

YJK14-5000自由鍛造液壓機整機有限元分析

重慶江東機械有限責(zé)任公司 吳秀英 楊 芳

【摘要】自由鍛造液壓機適用于金屬材料自由鍛造的各種工藝，主要用來將鋼坯拔長、 墩粗、沖孔、馬杠擴孔、錯移、粗轉(zhuǎn)、切割、彎曲等。其較好的剛性、強度、抗偏載能力和靈活的輔助搭配方式使其在鍛壓行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。本文通過對YJK14-5000壓機的有限元分析，旨在了解在滿載荷時，整機應(yīng)力應(yīng)變分布、變形位移分布（包括偏載）。從而對液壓機的結(jié)構(gòu)設(shè)計給出指導(dǎo)性建議。

【關(guān)鍵詞】自由鍛造壓機；有限元分析

1 分析說明

1.1 分析類型

滿載荷時，整機及部件應(yīng)力應(yīng)變分布、變形位移分布（包括偏載）。

1.2 計算模型簡化規(guī)則

按照實際工況最優(yōu)簡化（滿載何時最佳受力狀態(tài)簡化模型），即：對分析計算無關(guān)或影響較小的部分采用簡化或省略處理。

1.3 視頻輸出

1）應(yīng)力變化過程（強度，初步判斷載荷工況）；

2）位移變化過程（檢驗載荷工況與位移變化是否相符）；

3）振動模態(tài)過程。

2 三維建模及模型簡化

三維模型簡化中，去掉了對分析影響較小的起吊孔、螺釘孔、定位鍵槽、密封件、距離受載荷區(qū)較遠(yuǎn)處的輔助部分，但受載較大或強預(yù)緊螺釘、承力鍵等必須保留。整機建模圖形如圖1所示。

圖1 整機簡化模型

各零部件嚴(yán)格按照設(shè)計尺寸建模，但繪制有分析時所需的參考邊、線、面等；整機裝配時，有螺釘連接的部件，省略掉螺釘，采用面與面剛性連接。運動部件按照真實工況運動自由度約束。

3 有限分析前處理

3.1 材料屬性

1）ZG270—500：上橫梁、活動橫梁、下橫梁、工作臺、上砧和立柱。室溫下的力學(xué)性能屈服強度270MPa，抗拉強度500MPa。彈性模量：202Gpa；泊松比：0.3；

2）30CrNiMo8V：拉桿。屈服強度835MPa，抗拉強度980MPa。彈性模量：206 Gpa；泊松比：0.25—0.3；

3）20MnMo：液壓缸。抗拉強度470MPa，屈服強度275MPa。彈性模量206 GPa；泊松比0.3；

4）42CrMo4：柱塞桿。抗拉強度σb（MPa）：≥1080（110）；屈服強度σs（MPa）：≥930（95），許用應(yīng)力186～310/MPa，屈服930σs/MPa，42CrMo4強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久度。彈性模量：210Gpa，泊松比：0.3；

5）45鋼：工件。彈性模量：196-210 Gpa，泊松比：0.269，密度7850Kg/m3；

6）18MnMo：立柱。彈性模量206 GPa；泊松比0.3；

7）Q235-A：地基底座。彈性模量210GPa；泊松比0.3。

在計算瞬時模態(tài)動態(tài)分析時，將所有材料的阻尼的質(zhì)量矩陣系數(shù)設(shè)為3，阻尼的剛度矩陣系數(shù)設(shè)為0。

3.2 接觸屬性

1）第一類接觸

面與面直接接觸、如：螺釘連接的兩個幾何面接觸（螺釘不受剪切力）、施加預(yù)應(yīng)力的幾何面接觸等。在該分析中，此類接觸的兩幾何面受正應(yīng)力，在受載時幾何面無分離，分析中都簡化為硬接觸。

2）第二類接觸

兩幾何面之間主要受剪切作用的影響，如：螺釘連接（受剪），有限滑動、材料流動等。在該分析中，當(dāng)偏載時，滑塊導(dǎo)軌板與調(diào)整塊接觸副之間沿行程方向位移較小，且受垂直與行程方向載荷，分析中將摩擦系數(shù)設(shè)為0；在所有的接觸副中（除油缸、導(dǎo)軌板等受剪情況外），只要在整個工況中兩接觸面沒有分離，分析中將兩接觸副作有限綁定。

3）在對工作臺推力油缸做動態(tài)分析時，考慮了工作臺對墊板的摩擦系數(shù)（庫倫摩擦），摩擦系數(shù)μ=0.15（鋼對鑄鐵）。

3.3 分析步驟

該模型機體體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、各部分受載差距較大且為重載。為提高分析精度，采用三個分析步計算：第一分析步：建立起初始接觸；第二分析步：加載運算（建立預(yù)緊力）；第三分析步：持續(xù)加載運算（預(yù)緊力隨載荷自動調(diào)整）。

在做模態(tài)分析時，特征值階數(shù)為20階。

3.4 邊界條件

實際安裝固定處，全約束（與地基鋼板連接處）；運動部件及運動副之間遵循實際工況施加約束。

1）載荷計算

公稱載荷N（KN），壓力P（MPa），中主缸N1，P1，側(cè)主缸N2，P2，總載荷N。

當(dāng)載荷為5000t時，計算如下：

N= N1+2N2=17000+17000X2=51000KN； P1=19.25 MPa，P2=19.25 MPa

當(dāng)載荷為8000t時，計算如下：

N= N1+2N2=26650+26650X2=79950KN； P1=30.80 MPa，P2=30.80 MPa

2）預(yù)緊載荷（液壓預(yù)緊螺母載荷）

立柱拉桿，預(yù)緊系數(shù)2，每一個拉桿預(yù)緊時，液壓螺母加載為40000kN；下拉桿，每一根拉桿液壓螺母預(yù)緊力為12000 kN；上拉桿，每一根拉桿液壓螺母預(yù)緊力為3800 kN。

為提高計算精度和加快迭代收斂速度，計算時分兩步加載：初始載荷中主缸和側(cè)主缸均為0.1MPa，待壓力建立起后，逐步升至滿載和，模型中的接觸類型為第一類和第二類接觸。

3.5 網(wǎng)格

該模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需分部分劃分網(wǎng)格，受載小且遠(yuǎn)離關(guān)鍵區(qū)域采用線性的粗糙網(wǎng)格，即：C3D4H型網(wǎng)格；應(yīng)力集中區(qū)域和重載及關(guān)鍵區(qū)域以節(jié)點應(yīng)力作為分析指標(biāo)應(yīng)采用六面體二次減縮積分單元（C3D20R）或六面體完全積分單元（C3D20）。

此次分析中，整個模型的網(wǎng)格沒有大的扭曲，使用非協(xié)調(diào)單元（C8D8I），可用較小的計算代價得到較高的精度，為了減小‘體積自鎖’趨勢和‘沙漏’現(xiàn)象，接觸區(qū)域采用細(xì)化的六面體一次網(wǎng)格，即：C3D8IH型網(wǎng)格。

3.6 求解器及運算類型

1）standard static，General，通用靜應(yīng)力分析；

圖2 整機模態(tài)云紋圖

圖3 整機瞬時模態(tài)動態(tài)計算

圖4 整機應(yīng)力分布云紋圖

圖5 整機位移云紋圖

2）工作臺推力油缸采用standard static，General，非線性分析；

3）靜模態(tài)分析采用linear perturbation，F(xiàn)requency；

4）瞬時模態(tài)動態(tài)分析時，在靜模態(tài)后插入動態(tài)響應(yīng)分析步：modal dynamics。

3.7 后處理（油缸分析不輸出）

4 結(jié)果及結(jié)論（顯示效果放大10倍）

4.1 整機模態(tài)計算與驗證，如圖2所示。

根據(jù)計算，整機圓頻率為20.8Hz，最大振幅為1.2mm。

4.2 整機瞬時模態(tài)動態(tài)計算與驗證，如圖3所示。

根據(jù)計算，整機圓頻率為24Hz，最大振幅為1.3mm。

4.3 整機應(yīng)力分析云紋圖

當(dāng)載荷為50000kN時，應(yīng)力及位移分布，如圖4、圖5所示。

根據(jù)計算，整機豎直方向上最大位移為：2.4mm。

5 結(jié)論

本文只討論了機架的有限元分析，根據(jù)計算結(jié)果，YJK14-5000自由鍛造液壓機，結(jié)構(gòu)基本合理，整體性能滿足設(shè)計要求。采用這種設(shè)計方法，對本機的其它部件進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)仍有許多地方需要改進和優(yōu)化（減重和尺寸優(yōu)化），為降低成本和改善生產(chǎn)提供了有效的理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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