基于有限元分析的63噸米上錘頭結構改進

李志信，張 瑞

(1.山西太重北特機械設備制造有限公司，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024 )

0 引言

63噸米對擊錘是航天航空行業主要的鍛造設備之一，上錘頭由于受力環境惡劣，尤其沖擊載荷大，經常發生疲勞斷裂，是生產廠為了維持正常生產必需的主要備件。上錘頭重量大，制造成本高、周期長，安裝在機架內，更換備件繁瑣，需要的停機時間長。本文針對上錘頭出現的斷裂問題,采用有限元分析法對上錘頭在沖擊過程中的應力情況進行了計算，在此基礎上對錘頭結構進行改進。按照優化后的錘頭設計圖紙生產出備件，通過實際使用證明使用壽命確實得到了提高。

1 上錘頭使用過程中出現的問題

新錘頭使用一段時間后，在錘桿根部兩處圓弧部位(即錘桿與錘頭焊縫附近的圓弧位置)出現微裂紋，如圖1所示。

圖1 上錘頭小裂紋

造成裂紋的原因較多，主要有：鑄鋼件存在夾雜物超標、晶粒度等級低、組織不穩定等缺陷；焊縫可能存在根部未融合、夾雜、氣孔、焊接應力等缺陷；機械加工可能造成錘頭表面質量缺陷；錘鍛工作時沒有按照設備操作規范的要求對上錘頭進行預熱或預熱溫度不夠；應力過大或應力集中等。可能引起裂紋的原因眾多，但根據現場出現裂紋的部位分析，圓弧部位應力集中是最主要的原因之一。本文著重分析現有結構兩處圓弧的應力分布情況，并對改變圓弧尺寸后的模型進行應力分析，從而對上錘頭的結構進行改進。

2 上錘頭有限元分析

2.1 建立上下錘頭實體模型

UG軟件全稱Unigaphics，是集CAD/CAM/CAE于一體的大型CAD軟件，利用UG可以準確地反映零部件的形狀及配合關系，可以模擬實體模型，效果更加直觀，因此UG被廣泛應用于產品設計、工裝設計、工裝制造等工作中[1]。

為分析上、下錘頭打擊過程的應力情況，需建立上、下錘頭的實體模型。上錘頭在結構上比下錘頭復雜，根據經驗以及斷裂的截面位置將上錘頭模型進行了適當的簡化，主要簡化了上錘頭兩處安裝緩沖裝置的耳孔外形以及錘桿頂端的活塞環部位，因為這兩處位置很少發現缺陷，而且距離斷裂截面也比較遠，對最終計算結果的影響很小。

為簡化分析過程，將兩件錘頭中間的模具省略掉，從而可更加直觀地分析上、下錘頭受力狀況，所以將模型直接建立成上、下錘頭工作時的對擊狀態，如圖2所示。

2.2 建立有限元模型

實體模型的網格劃分是進行有限元計算的一個重要前提，網格劃分的質量決定了有限元計算量的大小及計算結果的準確性，劃分網格時既要保證計算結果的準確性又要考慮到計算規模不能過大，以免出現計算錯誤。

2.2.1 網格劃分

上錘頭屬于動應力分布，結構相對復雜，在主要研究的斷裂位置、截面變化較大的圓角部位以及錘桿根部應力集中部位，網格劃分得小一些、密一些，以保證主要分析部位計算精準；而在距離斷面遠的位置，將網格劃分得大些，采用比較均勻的網格形式以節省計算時間，也不影響整體計算精度[2]。所以在上錘頭模型的網格劃分上表現出了疏密不同的形式。

2.2.2 網格類型

本文研究的上、下錘頭在結構上存在較大的差異，根據網格選用的一般原則，上錘頭的結構比較復雜，選用四面體單元，四面體單元大小的設定根據網格單元邊長必須小于模型最小結構尺寸的原則，保證沒有節點突出連續實體模型，同時根據經驗，對實體網格大小的分布進行了調整。下錘頭的網格劃分采用了比較疏松的大網格劃分，根據下錘頭的結構特點選擇六面體單元。網格劃分后的上、下錘頭模型見圖3。

圖2 UG中建立的上、下錘頭三維實體模型圖3 上、下錘頭實體模型網格劃分

2.2.3 材料屬性

上、下錘頭的材料均為ZG35，其材料屬性為：彈性模量202 GPa；泊松比0.3；材料密度7.81 g/cm3。

2.3 上下錘頭打擊過程邊界條件

上、下錘頭打擊過程的邊界條件設置為：X方向速度，上下錘頭的運動速度均為3.13 m/s。上下錘頭模型的邊界條件如圖4所示。

圖4 上下錘頭模型的邊界條件

上、下錘頭在工作過程中，只進行上、下打擊動作，四周有導軌面，用來約束上、下錘頭其他幾個方向的運動，因此在自由度約束方面，只給定X方向的移動自由度，其余五個方向的自由度全部約束。

計算時間：主要研究上、下錘頭沖擊接觸時的受力情況，計算時間較短，為0.2 s。

2.4 應力分析

圖5為上、下錘頭打擊過程的應力分布云圖。圖5能夠清晰地反映錘桿危險截面位置和應力分布，應力由下向上傳播，呈現出層狀，說明應力在錘桿中以波的形式傳播。由圖5可以看出：對應兩處耳孔方向的錘桿根部R100處應力集中，最容易發生破壞，與實際斷裂位置相同；在沖擊的一瞬間危險截面處最大應力值可達到221 MPa，沿著錘桿向上，應力值逐漸減小。

圖5 上、下錘頭打擊過程應力分布云圖

對擊過程有限元仿真結果表明，上下錘頭在對擊時，在上錘頭的不同部位應力分布差別很大，錘桿根部圓角R100處為危險部位，與實際錘桿斷裂部位相一致。實體模型仿真應力分析與實際生產過程中的表現互相得到了驗證，也表明了分析結果的正確性，為下一步對上錘頭進行結構改進提供了有力的數據支持。

3 上錘頭結構改進

從以上分析可以看出，錘桿根部位置截面變化最大、應力值最大，也是上錘頭最先出現裂紋的位置。因此，優化的著手點就在于改善應力集中的狀態。根據經驗，截面變化緩慢可以明顯改善應力集中，有效預防由于應力集中原因導致的斷裂，常用方法為倒圓角或者倒角。

3.1 確定結構改進方向

根據經驗和使用狀況，對應力集中部位根部圓弧尺寸進行結構調整，由R100調整到R280。對改進后結構進行有限元分析，并對結果進行比較，從而確定上錘頭的結構改進方案。 選取R280截面作為分析實例，二維圖形中R280截面如圖6所示。

圖6 R280截面

3.2 二種不同截面的對比

相較于R100截面，R280的截面面積增加約123 mm2，重量比原來增加約3.89 kg，對整體上錘頭的影響不大；從結構上看，取圓角R280時并沒有影響到錘桿活塞桿的行程，完全可以實現這種設計改進，二種不同的圓角對比如圖7所示。

圖7 R100與R280對比

4 對改進后的實體模型進行應力分析

4.1 改進后的實體模型

在二維圖形中將上錘頭的R100改為R280，在三維軟件UG中自動生成相應的實體模型，重新劃分網格，包括網格單元、網格密度等參數均與R100時相同，以便直接對比。修改后的模型從外形直接觀察變化不大，整體結構沒有明顯差異。修改后的模型邊界條件參數也與R100模型相同，在同樣的條件下進行模型應力分析。

4.2 計算R280模型的應力分布情況

結構改進后上、下錘頭打擊過程的應力分布云圖如圖8所示，上錘頭在沖擊的一瞬間危險截面處最大應力值減到了143 MPa，與改進前應力值221 MPa相比減小了許多，整體應力的分布情況與原結構基本相同，沿著錘桿向上應力值逐漸減小。

圖8 結構改進后上、下錘頭打擊過程應力分布云圖

4.3 對比結構改進前后的應力情況

從兩種不同的實體模型應力分析結果可以看到：上錘頭錘桿根部過度圓角為R100狀態時，上、下錘頭打擊瞬間該部位承受的最大應力為221 MPa，最小應力為20 MPa；將過渡圓角調整到R280時，打擊瞬間最大應力值為143 MPa，最小為16 MPa，應力集中得到較為明顯的改善。調整過渡圓角尺寸，上錘頭截面變化變緩，打擊瞬間應力峰值明顯得到改善，上錘頭設計結構改進的重點也在于此。

5 結論

63噸米對擊錘上下錘頭沖擊過程有限元仿真結果與上錘頭使用過程中的實際情況相符。錘桿根部圓角R100處為危險截面。為延長錘桿壽命，對該處結構進行了改進。根據循環應力幅值與零件壽命的關系，結合有限元分析的對比結果，將上錘頭錘桿根部的過渡圓弧調整到R280，改進效果比較明顯，在合理的制作工藝條件下，使用壽命比之前有所延長，且不會增加制造成本。