基于Workbench刀砧的熱-結構耦合分析

張鴻飛 ，尹 華 ，賈 ，賈曉亮 ，姚 鶴

（1. 蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州蘭石檢測技術有限公司，甘肅 蘭州 730050；4.甘肅省大型快鍛液壓設備工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730050）

隨著國內外石油化工、航空航天、船舶艦艇、核電、重型機械等行業對大型鍛件的需求日益增多，高精尖智能化大型鍛造設備的發展狀況已經成為衡量一個國家綜合國力的重要指標[1]，而鍛造工具作為高精尖智能化大型鍛壓設備的輔助鍛壓工具，是鍛造行業自動化生產過程中不可或缺的，它在提高生產率、改善生產條件、降低勞動強度、提高鍛造質量方面非常重要。在自由鍛造過程中，鍛造工具的工作環境惡劣，不僅受到很大的壓應力、彎應力、熱應力等，有時甚至還會受到一定的沖擊力，鍛造熱加工過程中的熱退火導致模具材料的強度、硬度、耐磨性大大減弱，同時還會出現疲勞、蠕變等現象。刀砧作為鍛造工具中的一種，主要完成鍛壓工序中的熱切[2]，刀砧各主要零部件的材料為鑄鋼、合金工具剛，要求不僅具有很高的強度、耐磨性、耐高溫性，而且制造工藝復雜，制造、維修成本較高，而且國內對此研究文獻較少。因此有必要對刀砧進行熱-結構耦合作用下的應力、應變等情況進行分析研究，為實現其輕量化、少維護、長壽命、安全性設計提供理論依據。

1 三維參數模型

根據以往刀砧設計經驗、方法及國內學者對刀砧的研究，如趙立慧[3，4]對鍛造液壓機的刀砧進行了分析及設計，通過SolidWorks建立了剁刀砧三維參數模型，如圖1所示。

圖1 刀砧

2 靜力學分析

將刀砧的SolidWorks三維參數模型導入Workbench靜力學模塊，對其進行靜力學分析。采用Size進行全局網格劃分，然后再采用refinement局部細化網格，總計劃分網格單元2888970個、節點數4488293，如圖2所示。設置摩擦接觸對和綁定接觸對，同時為了模擬刀砧實際工況，對刀砧砧板上施加8MN的工作壓力，砧座下表面采用固定支承約束來模擬其實際工作過程中的受力情況。

圖2 網格剖分

2.1 應力、應變

由圖3等效應力云圖可知，刀砧的等效應力均處于較低值0.017MPa，只有在砧座安裝砧板凹槽內的倒角處出現較大的應力集中，刀砧的上座、砧座選用材料為ZG25Mn，屈服強度為270MPa，安全系數取值為2，則其許用應力為135MPa，最大等效應力遠小于其安全許用應力值；刀砧板選用材料5Cr4W5Mo2V，其屈服強度為590MPa，安全系數取值為2，則其許用應力為295MPa，最大等效應力遠小于其安全許用應力值。

由圖4等效應變云圖可知，刀砧所受到的等效應變最大值為0.04316mm，處于較低值水平。

圖3 等效應力

圖4 等效應變

2.2 方向變形

由圖5a總等效方向變形可知，刀砧在實際工況下其方向變形主要發生在刀砧板、上座、墊塊零件上，且刀砧板上所受的方向變形值最大，最大值為1.547mm。

由圖5b可知，刀砧在實際應力、應變狀態下，沿X軸正向有較大的方向變形，最大值為0.37mm，導致刀砧板沿X軸方向對上座產生一定的擠壓，導致上座安裝砧板凹槽處產生較大的應力及擠壓變形，從而導致砧板與上座砧板安裝處發生摩擦、磨損，進一步導致砧板在工作過程中發生竄動和振動。

由圖5c可知，刀砧在實際工況下，組成刀砧的所有零部件都發生了Y方向變形，且刀砧板中部區域的變形量最大，最大值為1.3178mm，導致刀砧板兩邊緣發生翹曲現象，從而進一步加劇了刀砧板安裝槽的磨損。

由圖5d可知，刀砧在實際工況下，組成刀砧的所有零部件沿Z向產生了較大的方向變形，且其中上座的方向變形最大，最大值為0.298mm，可見在工作過程中，刀砧板對上座沿Z方向有擠壓作用，導致上座所受的應力增大，變形增大。

綜上分析可知：刀砧在靜力學分析下，其沿X、Y、Z方向都產生了方向變形，且方向變形規律為Y＞X＞Z；組成刀砧的零部件中，刀砧板和上座的方向變形較大，惡化了上座的受力情況，導致上座的刀砧板安裝槽產生更大的局部應力集中，且刀砧板與上座的刀砧板安裝槽發生較大的磨損。

3 熱-結構耦合分析

對刀砧進行熱-結構耦合分析時，先對其進行熱穩態分析，刀砧板上施加溫度載荷，該溫度載荷近似為刀砧熱切棒料時棒料的初始溫度值800℃，刀砧板上表面施加熱流密度6.5W/mm2，刀砧板頂部對刀砧砧座底部的輻射黑度為0.3、環境溫度20℃，同時對砧座下底面施加固定支承約束。

3.1 溫度場

由圖6可知，刀砧穩態熱分析的溫度場分部具有一定的溫度梯度，其中刀砧板頂部受到熱切的擠壓變形及熱傳導，使得刀砧板頂部的溫度場最高，然后溫度場逐漸遞減。

由圖7可知，刀砧板上的熱流密度最大，同時刀砧板中部區域由于熱傳導及散熱快，導致該區域熱流密度值較刀砧板與上座安裝槽區域內熱流密度值小。刀砧板與上座安裝凹槽區域內由于熱變形、刀砧板中部向該區域傳熱，而該區域散熱慢，導致該區域熱流密度值大。

圖5 變形

圖6 溫度場

圖7 熱流密度

3.2 應力、應變

由圖8與圖3對比分析可知，刀砧在熱-結構耦合作用下，其所受等效應力值增大，且應力分部規律基本與刀砧靜力學分析一致，同時在熱-結構耦合作用下，刀砧板安裝內的的局部應力值更大。

由圖9與圖4對比分析可知，刀砧在熱-結構耦合作用下，其所受等效應變值增大，且等效應變分部規律基本與刀砧靜力學分析一致，同時在熱-結構耦合作用下，刀砧板安裝內的的等效應變值較靜力學分析下明顯增大。

3.3 方向變形

由圖10a與圖5a對比可知，刀砧在熱-結構耦合作用下，刀砧的總等效方向變形最大值為7.2mm，增大約為原來的5倍，且總等效變形的最大值位置由刀砧砧板變為上座砧板安裝槽的外邊緣。

由圖10b與圖5b對比可知，刀砧在熱-結構耦合應力作用下，沿X軸正向方向變形較原來增大了10倍，最大值為3.4mm，且最大值位置由上座上邊緣變為上座與砧座聯結處。在耦合應力作用下，更加劇了刀砧板沿X軸方向對上座的擠壓，導致上座安裝砧板槽處產生更大的應力及擠壓變形，從而導致刀砧板與上座砧板安裝處產生更大的局部應力集中，進一步產生更嚴重的摩擦、磨損。

圖8 等效應力

圖9 等效應變

圖10 變形

由圖10c與圖5c對比可知，刀砧在熱-結構耦合應力作用下，組成刀砧的所有零部件都發生了Y方向變形，沿Y方向的變形最大值為7.119mm，增大約為原來的6倍，且最大值由刀砧變為上座砧板安裝槽上邊緣處。在耦合應力作用下，導致刀砧板兩邊緣發生更嚴重翹曲現象，從而進一步加劇了刀砧板對上座的擠壓，導致安裝槽的磨損更加嚴重。

由圖10d和圖5d對比可知，刀砧在熱-結構耦合應力作用下，組成刀砧的所有零部件沿Z向產生了更大的方向變形，且最大值為2.47mm，增大約為原來的10倍。可見在考慮熱應力情況下，刀砧在工作過程中，刀砧板對上座沿、上座對砧座沿Z方向有更大的擠壓作用，導致上座所受的應力、應變及方向變形更大。

綜上分析可知，刀砧熱-結構的耦合應力作用下，其等效應力、等效應變及方向變形均較原來靜力學分析下大幅度增加，且在耦合應力作用下，更加增大了上座、刀砧板的應變、方向變形，同時進一步增大了上座和刀砧板之間的擠壓、變形。

4 結論

（1）刀砧在熱-結構耦合應力作用下，應力、應變、方向變形都大幅增加，可見熱應力對刀砧的影響很大。

（2）刀砧在實際工作中，刀砧板容易發生翹曲變形，且刀砧板容易發生較大的磨損；上座在刀砧實際工作中，不僅受到很大的擠壓變形、磨損，而且局部會產生較大的應力集中，使得上座成為易損件。

參考文獻：

[1] 鄭文達，權曉惠，李俊輝.鍛造液壓機的現狀及其展望[J].重型機械，2012，（3）：2-10.

[2]劉 俠，胡協興，劉 芳，等.一種鍛件切割設備 [P].中國：CN202398776U，2012-08-29.

[3] 趙立慧.鍛造液壓機的刀砧[J].重型機械，2015，（6）：20-22.

[4] 趙立慧.一種用于鍛造液壓機的刀砧、切割工具和方法[P].中國：CN103406483A，2013-11-27.