基于ANSYS的大型壓力機機身結構分析與改進設計*

韋源源，劉子越，李 柱，仲太生，龔俊杰

(1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225127)

0 引言

在如今快速發展的鍛壓機械行業中，壓力機是其重要的組成部分，壓力機按照噸位分為[1-3]：①小型壓力機，公稱壓力在100 t以下；②中型壓力機，公稱壓力在100 t～300 t之間；③大型壓力機，公稱壓力大于300 t。大型壓力機在長時間的運作中，各部位的受力情況都會發生變化，為了能使大型壓力機機身在長時間的使用過程中強度和剛度都在許用范圍內，需要對壓力機機身結構進行分析。

目前各大廠家對大型壓力機安全性的要求越來越高，同時對大型壓力機的輕量化設計也越來越重視。本文利用有限元分析軟件對某型號的大型壓力機機身進行分析計算，了解機身的強度和剛度。同時，在實際工作狀態下，對壓力機機身進行試驗，驗證有限元計算的準確性，在此基礎上，對機身進行改進設計，以降低大型壓力機的成本，實現輕量化的要求[4-7]。

1 壓力機機身有限元分析的前處理

1.1 壓力機機身模型的建立和接觸設置

使用SolidWorks軟件建立大型壓力機的三維模型并進行簡化，填補一些工藝孔、螺栓孔，將簡化后的模型導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行后續的分析計算。該大型壓力機機身包括橫梁、螺栓、立柱、工作臺、底座5個部分，其三維模型如圖1所示。該壓力機橫梁、滑塊、底座及立柱的材質為Q235結構鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3；螺栓和工作臺的材質為合金鋼，其彈性模量為210 GPa,泊松比為0.29。由于壓力機機身的各部分之間都是采用焊接連接，因此各接觸面之間的接觸屬性均采用Bonded(綁定)。

1.2 壓力機機身模型的網格劃分

網格劃分是有限元計算中的重要部分，網格的細分程度直接影響到計算結果的準確度。理論上，網格劃分是越細越好，但網格劃分得越細，計算難度也越大，根據ANSYS Workbench中的智能劃分網格的方式劃分網格后的模型如圖2所示，單元大小為50 mm，總共有252 605個節點、858 095個單元。

圖1 大型壓力機三維模型 圖2 壓力機網格劃分結果

1.3 壓力機機身模型的約束和載荷施加

根據壓力機實際工作中的情況進行載荷和約束的施加，將壓力機與地面接觸的底部施加固定約束，限制其6個方向的自由度。壓力機在實際工作中載荷是復雜的，本次測試是研究均布載荷對壓力機的影響。壓力機工作臺加載區域面積為800×1 666.67 mm2，根據壓力機生產過程中實際所承受的載荷，對壓力機施加4.074×106N的均布載荷，即均布載荷大小為0.728 8 MPa。因為壓力機中螺栓的力也不可避免，所以要對螺栓進行預緊，對4個螺栓所施加的預緊力分別為3.815×106N。壓力機載荷施加如圖3所示 。

2 壓力機機身有限元分析結果

2.1 壓力機機身整體應力分布

使用ANSYS Workbench軟件對導入的模型進行應力和位移計算，得到壓力機整體應力分布云圖如圖4所示。由圖4可知：最大應力為331.54 MPa，發生在立柱和橫梁的接觸處，該處存在局部應力集中；忽略應力集中的部分，最大應力為182.59 MPa，發生在螺栓與螺母的連接處；其余部分的應力如表1所示。由材料的屬性可知，壓力機機身整體應力較小，符合強度要求。

圖3 壓力機載荷施加

圖 4 壓力機整體應力云圖

表 1 壓力機機身其余部分應力計算結果

2.2 壓力機機身整體位移

壓力機機身的位移云圖如圖5所示，最大位移為0.606 87 mm，發生在橫梁上。壓力機橫梁上的位移較小，其他部位的位移也較小，滿足剛度要求。由于該壓力機在設計時保留了較大的安全余量，而最大位移也較小，因此可以對壓力機機身進行適當的改進，以滿足其輕量化的要求。

圖5 壓力機整體位移云圖

3 壓力機機身計算結果和測試結果對比

為了驗證有限元計算結果的準確性，在這臺壓力機的立柱、螺栓、工作臺上分別布置3個測點，貼上電阻應變片，再在壓力機上施加相同的載荷，通過應變儀測得壓力機上這3個點的應變和橫梁的位移。有限元計算結果與測試結果對比如表2所示。

由表2可以看出:對比測試結果，有限元分析誤差在5%以內，說明有限元分析的結果是基本正確的。在此基礎上可進一步對壓力機機身進行改進設計。

4 壓力機機身整體的改進設計

由上述計算結果可以看出，該壓力機機身的整體應力小于材料的許用應力，最大位移也在材料的許用范圍之內，且有較大的安全余量。為了使壓力機機身成本降低，滿足輕量化的要求，對壓力機機身的結構進行適當的修改：

(1) 將橫梁上頂面面板的厚度由140 mm改成120 mm，橫梁前、后面板的厚度由100 mm改為80 mm。

(2) 將壓力機4個立柱的厚度削減10 mm。

對改進后的壓力機機身模型重新進行有限元分析，計算結果如表3所示。

表2 有限元計算結果與測試結果對比

表3 優化前、后壓力機機身有限元計算結果

由表3可以看出:壓力機機身在改進之后整體應力和位移略微增加，但都在安全范圍之內，符合強度和剛度的要求。同時，壓力機機身的質量有所減小，成本也相應地降低。

5 結語

本文通過對大型壓力機機身進行有限元分析，得出其應力和位移的分布。之后通過實驗測試驗證了有限元分析的準確性，再根據實際情況，對壓力機機身提出優化方案。根據優化后模型的有限元分析，可以看出在滿足強度和剛度的前提下，壓力機機身的質量大大減小，滿足了輕量化要求。