熱模鍛壓力機(jī)機(jī)身聯(lián)合有限元分析

杜建偉，孫遠(yuǎn)國(guó)，宋清玉

熱模鍛壓力機(jī)是借助模具實(shí)現(xiàn)金屬熱成型的鍛造設(shè)備，是現(xiàn)代模鍛車(chē)間應(yīng)用最為廣泛的模鍛設(shè)備之一。熱模鍛壓力機(jī)剛性好，能承受較大的偏載，鍛件精度高，能較好地控制鍛件高度公差，質(zhì)量偏差分布穩(wěn)定，材料利用率及生產(chǎn)率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)工人的操作水平要求低，噪聲和震動(dòng)小。特別適合于汽車(chē)、拖拉機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、造船、鐵路機(jī)車(chē)、航空兵器等領(lǐng)域的要求。

熱模鍛壓力機(jī)在鍛造過(guò)程中承受中心載荷時(shí)，其承載零件會(huì)產(chǎn)生壓縮、伸長(zhǎng)或彎曲變形，承受偏心負(fù)荷時(shí)滑塊還會(huì)發(fā)生傾斜。前者直接影響鍛件的厚度尺寸，后者還會(huì)使鍛件的分模面產(chǎn)生錯(cuò)位[1]。為使同一種鍛件獲得較穩(wěn)定的厚度尺寸和允許的錯(cuò)位，熱模鍛壓力機(jī)必須具有足夠的剛度。

熱模鍛壓力機(jī)的機(jī)身系封閉框架，它不僅承受在模鍛時(shí)所產(chǎn)生的力和力矩，而且是連接和安裝熱模鍛壓力機(jī)所有功能機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)，壓力機(jī)的工作穩(wěn)定性，模鍛件的尺寸精度及壓力機(jī)的工作可靠性都與機(jī)身的剛度和強(qiáng)度直接相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)中對(duì)機(jī)身的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算就顯得尤為重要。而對(duì)壓機(jī)整體剛度和強(qiáng)度進(jìn)行研究，既可以保證壓機(jī)的精度，對(duì)各部分強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，還可以減輕設(shè)備重量。

傳統(tǒng)的機(jī)身強(qiáng)度與剛度計(jì)算方法，是對(duì)每個(gè)零件單獨(dú)計(jì)算，無(wú)法精確的計(jì)算梁的受力情況，對(duì)復(fù)雜形狀更無(wú)法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算誤差不可控。后來(lái)雖然開(kāi)始應(yīng)用有限元法進(jìn)行單件分析，但由于沒(méi)有將零件之間的相互作用力等因素考慮進(jìn)去，結(jié)果仍不理想且效率較低。

1 整體聯(lián)合有限元分析

本文旨在探索一種整體的計(jì)算方法，通過(guò)盡最大程度的模擬實(shí)際受力情況，以期得到較接近實(shí)際的分析結(jié)果，為壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。并且利用該方法提高壓力機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)和優(yōu)化的速度，以適應(yīng)快速發(fā)展的技術(shù)需要。

該方法基本思路是將上梁、底座、拉緊螺栓、立柱進(jìn)行有機(jī)聯(lián)系，并將拉緊螺栓的預(yù)緊力因素考慮進(jìn)去，以模擬實(shí)際工作中的受力狀態(tài)。

本文以MP型5000 t熱模鍛壓力機(jī)的機(jī)身為研究對(duì)象，通過(guò)CAE對(duì)其機(jī)身進(jìn)行聯(lián)合剛度與強(qiáng)度有限元分析。在分析中加載四種主要載荷，得出整機(jī)應(yīng)力和變形，也可以根據(jù)需要顯示單個(gè)零件的應(yīng)力和變形，四種載荷如下：

（1）壓力機(jī)受到的預(yù)緊力載荷；

（2）工作狀態(tài)下上梁的鋼套孔受到的打擊力反作用力；

（3）工作狀態(tài)下底座所受由模具傳遞的打擊力；

（4）工作狀態(tài)下受偏心載荷作用使滑塊發(fā)生傾斜時(shí)立柱所受作用力。

2 預(yù)緊力載荷

MP型5000 t熱模鍛壓力機(jī)的機(jī)身為鑄造組合結(jié)構(gòu)，上梁、左、右機(jī)身、底座由拉緊螺栓預(yù)緊形成一個(gè)封閉框架。為保證上梁、立柱和底座在工作時(shí)不產(chǎn)生間隙和錯(cuò)移，除水平方向采用環(huán)形定位外，還需要通過(guò)對(duì)4件拉緊螺栓施加一定預(yù)緊力使機(jī)身具有一定的預(yù)壓縮量。當(dāng)工作變形力作用在滑塊上時(shí)機(jī)身的預(yù)壓縮量將減小，拉緊螺栓將進(jìn)一步伸長(zhǎng)。由于上梁和底座截面積通常比立柱大很多，且高度相對(duì)較小，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，上梁和底座的壓縮量可以忽略不計(jì)，而只考慮立柱的變形[1]。

（1）預(yù)緊力Py，是分析機(jī)身預(yù)緊時(shí)受力和變形情況的加載數(shù)據(jù)。

根據(jù)組合機(jī)身受力與變形關(guān)系，只有當(dāng)工作載荷P≤zPg時(shí)，立柱與上梁，底座才不會(huì)產(chǎn)生間隙（見(jiàn)圖1），zPg（z為預(yù)緊系數(shù)）即為臨界離縫力，一般z＝1.5～2.0?？紤]到解除悶車(chē)時(shí)，機(jī)身受力接近 2Pg，因此取 z=2.0，此時(shí)預(yù)緊力為[1]、[2]、[3]：

圖1 組合機(jī)身受力—變形圖

（2）預(yù)緊變形 以力Py預(yù)緊后，拉緊螺栓伸長(zhǎng)，立柱壓縮分別為：

（3）立柱剛度

式中，Ez—立柱彈性模量，Ez=2.0×105N/mm2；Fz—單個(gè)立柱截面積，F(xiàn)z=3.405×105mm2；m—立柱數(shù)，m=2；Lz—立柱長(zhǎng)度，Lz=4400 mm。

（4）拉緊螺栓的剛度

式中，El—拉緊螺栓彈性模量，El=2.0×105N/mm2；Fl—單個(gè)拉緊螺栓截面積，F(xiàn)l=1.209 mm2；n—拉緊螺栓數(shù)量，n=4；Ll—拉緊螺栓長(zhǎng)度，Ll=8300 mm。

（5）拉緊螺栓與立柱剛度比

3 整體強(qiáng)度與剛度分析

三維有限元分析的基本技術(shù)路線大致包括以下幾個(gè)步驟：

（1）建立有限元模型，包括數(shù)學(xué)模型的建立、材料屬性的設(shè)置、添加單元類(lèi)型、劃分網(wǎng)格；

（2）施加載荷及邊界條件，包括對(duì)接觸、摩擦、對(duì)稱(chēng)、約束和初始條件的處理；

（3）對(duì)建立的模型進(jìn)行求解計(jì)算；

（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理、分析，得出結(jié)論。

通過(guò)軟件的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能將模型劃分成有限元網(wǎng)格，對(duì)局部網(wǎng)格劃分不合理的地方，在每次計(jì)算后進(jìn)行局部的網(wǎng)格細(xì)化，避免由于網(wǎng)格劃分不合理產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響分析結(jié)果。最后將模型劃分為506144個(gè)節(jié)點(diǎn)，302812個(gè)單元。

3.1 預(yù)緊載荷施加

機(jī)身在預(yù)緊時(shí)只承受拉緊螺栓預(yù)緊力。

通過(guò)上面計(jì)算5000 t熱模鍛的預(yù)緊力為7267 t，在此模擬受力狀態(tài)，將7267 t載荷分別加載在拉緊螺栓的上部和大螺母的上面（見(jiàn)圖2）。

圖2 載荷施加示意圖

3.2 工作載荷施加

在預(yù)緊后的機(jī)身模座上施加一個(gè)向下的力，大小為公稱(chēng)力Pg，距中心約為250 mm，面積為一個(gè)模具的大小，該力反作用在上梁的鋼套孔上，在孔上也產(chǎn)生一個(gè)Pg大小的力，同時(shí)由于模鍛時(shí)受力為偏心狀態(tài)，所以還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩，大小為Pg與偏心距離的乘積，該力矩通過(guò)導(dǎo)軌作用在立柱上，計(jì)算時(shí)可以等效為在立柱導(dǎo)軌位置加上一個(gè)大小相等的力，導(dǎo)軌為局部接觸，接觸面積取導(dǎo)軌總長(zhǎng)的1/6，滑塊導(dǎo)軌長(zhǎng)度為2560 mm，所以加載的力約為1260 t，加載的位置為左側(cè)下部，右側(cè)上部（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖3 有限元模型

3.3 整體分析

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，機(jī)身最大應(yīng)力為187.7 MPa，位于拉緊螺栓處，而上梁、立柱和底座的整體應(yīng)力水平很低；底座的最大變形為0.265 mm，剛度約為1/8730，上梁相對(duì)于底座最大變形為1.28 mm。對(duì)各部件單獨(dú)顯示觀察其應(yīng)力和變形較合理，限于篇幅不做述（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 變形云圖

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明采用應(yīng)力分析模塊對(duì)整機(jī)進(jìn)行分析，所得到的結(jié)果和計(jì)算速度是令人滿意的，該方法可以應(yīng)用于設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

[1]李忠民.熱模鍛壓力機(jī) [M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990:2-5.

[2]俞新陸.液壓機(jī) [M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.7第一版.

[3]于兆卿.63 MN熱模鍛壓力機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].河北:燕山大學(xué).