5000t雙柱式液壓機(jī)有限元分析

胡健 房慶龍 趙玲莉 居久根

摘 要：液壓機(jī)通過流體中介進(jìn)行傳動(dòng)，已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的大型設(shè)備之一，對(duì)于提升機(jī)械產(chǎn)品的性能具有不可替代的重要意義。雙柱式液壓機(jī)在重型機(jī)械加工以及機(jī)械設(shè)備中具有重要的應(yīng)用。能夠?qū)饘俨牧线M(jìn)行拉伸、冷擠等多個(gè)工藝流程操作。同時(shí)對(duì)校正、壓裝等產(chǎn)品加工過程也至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要說明了機(jī)身三維模型的建立、材料定義及網(wǎng)絡(luò)劃分，闡述了邊界條件和栽花的施加，最后對(duì)機(jī)身靚圖學(xué)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：5000t雙柱式液壓機(jī) 三維模型 分析

中圖分類號(hào)：TG31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）10（a）-0003-02

對(duì)公司所生產(chǎn)的5000t雙柱式液壓機(jī)采用有限元分析法，對(duì)機(jī)身模型的力學(xué)特性、材料特性以及傳動(dòng)特性等性能進(jìn)行分析對(duì)于提升設(shè)備的性能、優(yōu)化參數(shù)的設(shè)計(jì)具有重要的理論以及實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。通過有限元分析，液壓設(shè)備的傳動(dòng)性能以及力學(xué)特性都得到了顯著提升，促進(jìn)設(shè)備性能的提升，對(duì)產(chǎn)品有重要影響。

1 機(jī)身三維模型的建立

從結(jié)構(gòu)上看，機(jī)身主要分成四大件（上橫梁、立柱、下橫梁、主缸），如圖1所示。上橫梁和立柱采用卡鍵連接，下橫梁和立柱采用臺(tái)階定位，上橫梁和下橫梁通過兩立柱連接成封閉的雙柱結(jié)構(gòu)。上橫梁和主缸缸口部分做成一體，這樣提高了上橫梁的強(qiáng)度和剛度，保證超壓機(jī)在滿載工況下的精度和穩(wěn)定性。

為減少布爾運(yùn)算及網(wǎng)格劃分難度，機(jī)身結(jié)構(gòu)模型需進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的主要力學(xué)性能不發(fā)生改變，簡(jiǎn)化內(nèi)容如下。

（1）忽略一些小孔、倒角及凸臺(tái)的影響。

（2）避免出現(xiàn)較小的面、線，降低網(wǎng)格劃分難度。

（3）機(jī)身結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，且工作載荷也對(duì)稱，為減少計(jì)算量，可選擇1/2結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行有限元分析。

（4）分析過程中，去掉模具。

采用三維繪圖軟件SolidWorks對(duì)機(jī)身進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到ABAQUS中，這樣大大提高了建模的速度。

2 材料定義及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型建立的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，計(jì)算精度一般會(huì)隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而有所提高，但計(jì)算時(shí)間會(huì)有所增加。

劃分網(wǎng)格時(shí)，在四面體與掃掠型劃分之間自動(dòng)切換，對(duì)于實(shí)體SOLID劃分，在四面體與六面體單元之間切換。機(jī)身主要由橫梁、底座兩種材料組成，采用的是Q345B鋼，Q345B的彈性模量E=211GPa，泊松比μ=0.270，密度ρ=7800kg/m3，屈服極限σ≤345MPa；連接部件，如立柱、半圓鍵采用42CRMO鋼，彈性模量E=209GPa，泊松比μ=0.269，ρ=7890kg/m3，屈服極限σ≤930MPa。劃分單元以后結(jié)點(diǎn)數(shù)為298474，單元數(shù)為127320。

3 邊界條件和載荷的施加

通過超壓機(jī)的特點(diǎn)及工況，對(duì)有限元模型進(jìn)行邊界約束和施加工作載荷。邊界約束必須遵循以下原則。

（1）必須有足夠的約束，用以保證剛度矩陣非奇異性，從而得到位移的唯一解。

（2）不能夠設(shè)定多余的約束，多余的約束會(huì)使分析對(duì)象產(chǎn)生實(shí)際上不存在的約束力，從而使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別很大。

上橫梁受力情況比較復(fù)雜，為了最大程度地接近實(shí)際工況，實(shí)際的載荷是通過油缸傳遞到橫梁的，所以通過在上油缸底部施加2000t壓力，作為上橫梁的受力載荷。下橫梁受力比較簡(jiǎn)單，在下橫梁上表面施加一個(gè)2000t向下的均布載荷。

施加邊界約束和工作載荷后的有限元模型如圖2所示。

4 機(jī)身靜力學(xué)分析

4.1 機(jī)身靜力學(xué)分析

機(jī)身在最大工作載荷下，中截面即危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力在39MPa一下，滿足要求。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限345。

由此可見機(jī)身在最大工作載荷下，橫梁中截面最下端的最大變形在1.1～1.2mm以下，滿足要求。而底座的中截面最上端的最大變形在0.5～0.7mm以下，滿足要求。

4.2 上橫梁靜力學(xué)分析

上橫梁的最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁前后兩側(cè)的焊接加強(qiáng)板的焊縫處，最大為87MPa，低于合金焊條的許用極限120MPa。

上橫梁的最大變形最大為0.93mm。

4.3 下橫梁靜力學(xué)分析

下橫梁的危險(xiǎn)截面即中截面最大應(yīng)力為56MPa，為了滿足變形要求（變形太大模具磨損較快），故所取的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服極限345MPa。

下橫梁的最大變形為0.7mm。

4.4 立柱靜力學(xué)分析

立柱最大應(yīng)力發(fā)生在上下與橫梁和底座接觸的位置，最大為88MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服極限。

立柱最大變形最大為0.6mm。立柱剛性滿足要求。

4.5 卡鍵靜力學(xué)分析

卡鍵的最大應(yīng)力為49MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于42CrMo的屈服強(qiáng)度930MPa。故半圓鍵鏈接可靠。

5 結(jié)語

綜上所述，液壓機(jī)通過流體中介進(jìn)行傳動(dòng)，已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的大型設(shè)備之一，對(duì)于提升機(jī)械產(chǎn)品的性能具有不可替代的重要意義。通過有限元分析，液壓設(shè)備的傳動(dòng)性能以及力學(xué)特性都得到了顯著的提升，對(duì)于促進(jìn)設(shè)備的性能的提升產(chǎn)品了重要影響。

參考文獻(xiàn)

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[2] 侯曉望，童水光.基于有限元分析的液壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].重型機(jī)械，2005（4）：46-48.