25MN快鍛油壓機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析

牛 勇，張營杰，房志遠(yuǎn)，范玉林

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西西安710032）

1 引言

近年來，我國在能源、軍工和交通等重大裝備制造領(lǐng)域發(fā)展迅猛，對(duì)大型復(fù)雜鍛件有很大需求?？戾懹蛪簷C(jī)是20 世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的一種新型鍛壓設(shè)備，用于鋼錠開坯和自由鍛件的壓力加工，特別適合合金成分較高材料的鍛造[1-5]。本文研究的25MN 快鍛油壓機(jī)采用上傳動(dòng)預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，上橫梁、活動(dòng)橫梁和固定梁受力情況和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其設(shè)計(jì)是否合理對(duì)液壓機(jī)的整體性能有直接影響。

ABAQUS 被認(rèn)為是功能最強(qiáng)大的有限元分析軟件之一，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題。本文以ABAQUS 有限元分析軟件為平臺(tái)，對(duì)25MN 快鍛油壓機(jī)上橫梁、活動(dòng)橫梁和固定梁進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，得出了這些關(guān)鍵部件在最大載荷下的應(yīng)力分布和位移分布，其結(jié)果對(duì)快鍛油壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

采用ABAQUS 軟件建立有限元模型一般包括幾何模型建立、材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、分析步建立、邊界條件和載荷確定、計(jì)算以及結(jié)果處理等。本文采用SolidWorks 軟件建立幾何模型、再導(dǎo)入ABAQUS 中的建模方法。在SolidWorks 中可以方便快捷地建立結(jié)構(gòu)模型，導(dǎo)入ABAQUS 時(shí)，利用ABAQUS 的模型修復(fù)功能，消除可能存在的自由邊、小平面、小尖角等幾何缺陷，從而得到精確的幾何模型。25MN 快鍛油壓機(jī)上橫梁、下橫梁和固定梁三維幾何模型如圖1 所示，三個(gè)梁所用材料均為ZG20MnMo，其力學(xué)性能如表1 所示。

表1 ZG20MnMo 力學(xué)性能

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響求解精度和求解時(shí)間，不合理的網(wǎng)格甚至?xí)?dǎo)致求解過程的中斷，所以網(wǎng)格劃分是分析過程中需要重點(diǎn)注意的一個(gè)環(huán)節(jié)。運(yùn)用ABAQUS 強(qiáng)大而便捷的網(wǎng)格劃分功能，通過在模型上設(shè)置全局種子的方法合理地控制網(wǎng)格密度。ABAQUS 提供了數(shù)量眾多的單元種類以滿足各種分析類型的需要，本文采用C3D10M 單元，即修正的10 節(jié)點(diǎn)二次四面體單元。C3D10M 單元的求解結(jié)果較精確，而且非常適用于幾何模型比較復(fù)雜的情況。

2.3 邊界約束和載荷的處理

上橫梁幾何模型如圖1a 所示。根據(jù)幾何模型和受力狀況的對(duì)稱性，取1/4 模型進(jìn)行有限元計(jì)算。根據(jù)實(shí)際工作情況，在對(duì)稱面進(jìn)行對(duì)稱約束，在與拉桿螺母接觸區(qū)域進(jìn)行z 向約束，在與油缸法蘭接觸區(qū)域施加油缸作用力，每個(gè)側(cè)缸載荷為5MN，主缸為15MN，方向都是沿z 向正方向。

活動(dòng)橫梁幾何模型如圖1b 所示。根據(jù)幾何模型和受力狀況的對(duì)稱性，取1/4 進(jìn)行有限元計(jì)算。根據(jù)實(shí)際工作情況，在對(duì)稱面進(jìn)行對(duì)稱約束，在鐓粗的區(qū)域進(jìn)行z 向約束，在與油缸法蘭接觸區(qū)域施加油缸作用力，每個(gè)側(cè)缸載荷為5MN，主缸為15MN，方向都是沿z 向負(fù)方向。

下橫梁幾何模型如圖1c 所示。由于下梁的模型和載荷不具有對(duì)稱性，所以取整體模型進(jìn)行計(jì)算。在與拉桿螺母接觸區(qū)域進(jìn)行z 向約束，在一個(gè)支座的邊角區(qū)域約束其他自由度，避免計(jì)算過程的剛體位移。

3 結(jié)果分析與討論

上橫梁應(yīng)力分布和位移分布云圖如圖2 所示。分析表明，除與螺母接觸區(qū)域的邊緣區(qū)域外，其他區(qū)域應(yīng)力均小于100MPa，考慮所用材料，零件安全系數(shù)≥3，并且應(yīng)力值大部分為50～80MPa，分布均勻合理。位移最大值為上橫梁中間底部，其值為1.25mm，表明上橫梁設(shè)計(jì)滿足剛度要求。

活動(dòng)橫梁應(yīng)力分布和位移分布云圖如圖3 所示。分析表明，除與上砧墊板接觸的邊緣區(qū)域外，其他區(qū)域應(yīng)力均小于100MPa，并且應(yīng)力值大部分為30～70MPa，分布均勻合理。位移最大值為活動(dòng)橫梁與油缸接觸部位，其值為0.35mm，表明活動(dòng)橫梁設(shè)計(jì)滿足剛度要求。

固定梁應(yīng)力分布和位移分布云圖如圖4 所示。分析表明，除與螺母接觸區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力均小于100MPa，并且應(yīng)力值大部分為50～80MPa，應(yīng)力分布均勻合理。位移最大值為下橫梁中間部位，其值為1.29mm，表明下橫梁設(shè)計(jì)滿足剛度要求。

4 結(jié)論

本文以ABAQUS 有限元分析軟件為平臺(tái)，對(duì)25MN 快鍛油壓機(jī)上橫梁、活動(dòng)橫梁和固定梁進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，得出了這些關(guān)鍵部件在最大載荷下的應(yīng)力分布和位移分布。結(jié)果表明，三個(gè)梁的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和剛度要求。有限元法是液壓機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的有力工具。

[1]蔡 墉.我國自由鍛液壓機(jī)和大型鍛件生產(chǎn)的發(fā)展歷程.大型鑄鍛件，2007，（1）：37-44.

[2]范玉林，張營杰，衛(wèi)凌云，等.45/50MN 快鍛油壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（5）：49-51.

[3]徐宇謹(jǐn)，韓大衛(wèi)，黃 新，等.快速鍛造油壓機(jī)組主機(jī)結(jié)構(gòu)形式與選型.重型機(jī)械，2004，（6）：45-47.

[4]李貴閃，何曉燕，榮兆杰.我國液壓機(jī)行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（4）：17-19.

[5]翟富剛，張 慶，王建軍，等.20MN 快鍛液壓機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（6）：27-29.