閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)橫梁有限元分析及優(yōu)化

黃 慧，魏鳳凱，于光耀

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程系，山東 青島 266590；2.山東高密高鍛機(jī)械有限公司 技術(shù)科，山東 高密 261500）

0 引言

機(jī)械壓力機(jī)是利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而對(duì)坯料進(jìn)行成形加工的壓力加工設(shè)備，可進(jìn)行各種沖壓工藝直接生成半成品或成品。在所有的鍛壓設(shè)備中，機(jī)械壓力機(jī)所占比例達(dá)到80%以上[1]。本文所研究的JG36-400C 型壓力機(jī)機(jī)身屬于組合閉式機(jī)身，由上橫梁、立柱、拉緊螺栓和底座組成，如圖1 所示。其中上橫梁安裝在立柱上面，其體內(nèi)安裝有齒輪、軸、偏心套、連桿、導(dǎo)柱等壓力機(jī)主要傳動(dòng)部件，它是閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)機(jī)身的重要組成部分，所以橫梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)是壓力機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等CAE 技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。本文應(yīng)用ANSYS Workbench 有限元分析軟件，準(zhǔn)確計(jì)算出了壓力機(jī)橫梁的應(yīng)力和變形，給出了減小橫梁焊接件厚度的方案。應(yīng)用有限單元法，將所建立的力學(xué)模型劃分單元，并確定邊界條件，應(yīng)用計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)位移及應(yīng)力，從而可以了解整個(gè)結(jié)構(gòu)在外力作用下各處的應(yīng)力分布及變形情況；如果應(yīng)力分布不合理或變形太大，則需要修改結(jié)構(gòu)，再次進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)幾次就可以求得結(jié)構(gòu)合理、自重輕、有較好剛度和強(qiáng)度的構(gòu)件[2]。

1 橫梁的結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

本文討論的JG36-400C 型壓力機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

JG36-400C 型壓力機(jī)最大公稱力為4000kN，主要由Q235-A 鋼板焊接而成，Q235-A 材料屬性如表1 所示。

表1 Q235-A 材料屬性

2 橫梁的有限元分析

2.1 三維模型的建立

橫梁焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于劃分網(wǎng)格、更好地進(jìn)行有限元分析，必須合理建立有限元模型。對(duì)于不會(huì)明顯影響其強(qiáng)度、剛度的部位，如螺孔、輸氣輸油孔、凸臺(tái)、圓角等予以簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后橫梁的三維模型如圖3 所示。

2.2 橫梁約束條件的確定

JG36-400C 閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)橫梁在工作時(shí)的載荷是通過兩個(gè)心軸傳遞的，橫梁受到的是公稱力的反力，它作用于心軸與橫梁軸套處，在每個(gè)孔的上半圓柱面處施加最大公稱力的一半2000kN 向上的均布力；橫梁與立柱接觸底面、拉緊螺栓孔及橫梁上面蓋板頂面添加無摩擦約束，拉緊螺栓孔處添加圓柱約束。

2.3 網(wǎng)格的劃分

本文使用的ANSYS Workbench 提供了自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，根據(jù)不同的分析類型進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分，對(duì)于精度要求高的區(qū)域會(huì)自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格的密度，從而提高網(wǎng)格的質(zhì)量[3]。劃分時(shí)設(shè)置網(wǎng)格大小為60mm，選擇Generate Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果如圖4 所示。

3 分析結(jié)果及改進(jìn)

3.1 有限元結(jié)果分析

改進(jìn)前橫梁體的應(yīng)力分布如圖5 所示。最小應(yīng)力出現(xiàn)在上面蓋板，所以上蓋板材料強(qiáng)度有一定的富余；應(yīng)力集中主要在橫梁外板和心軸軸套接觸處的內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力為σmax=96.622MPa。另外心軸軸套處也出現(xiàn)局部高應(yīng)力區(qū)。由表1 可知Q235 材料的屈服極限為σs=235MPa，由文獻(xiàn)[4]可知，對(duì)于塑形材料，許用應(yīng)力為

σmax≤[σ]（根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并為動(dòng)載情況留出富余量，ns取2），所以機(jī)身整體強(qiáng)度有富余，應(yīng)力分布出現(xiàn)局部不平衡。

如圖6 所示，橫梁的最大變形發(fā)生在橫梁外側(cè)心軸軸套上部，為0.14516mm，其他地方的變形較小，橫梁整體的撓度符合壓力機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

3.2 改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

不改變底板和蓋板的厚度，將外板、內(nèi)板、側(cè)板的厚度各減小5mm，對(duì)橫梁模型進(jìn)行有限元靜態(tài)和模態(tài)分析。

3.2.1 靜態(tài)分析

打開橫梁的Pro/Engineer 模型，直接通過Pro/Engineer 軟件和ANSYS 軟件的接口進(jìn)入ANSYS Workbench 界面，這種方法無須考慮轉(zhuǎn)化格式后失真的問題[3]。

①材料設(shè)定。選擇Material 欄下的Assignment選項(xiàng)中的Structural Steel。②網(wǎng)格劃分。設(shè)定網(wǎng)格大小為60mm，選擇Generate Mesh，劃分有限元模型。③添加約束。對(duì)橫梁模型的底板下的兩墊板，蓋板及四個(gè)拉緊螺栓孔內(nèi)壁添加無摩擦約束；對(duì)拉緊螺栓內(nèi)壁添加圓柱約束，對(duì)底板下的墊板添加固定約束。④施加載荷。對(duì)心軸軸套上半圓柱施加20MPa 的均布載荷。⑤選擇求解。選擇等效應(yīng)力，總變形選項(xiàng)，求解出結(jié)果。

讀取到應(yīng)力云圖如圖7 所示，總變形如圖8 所示。

由圖7 可知最大應(yīng)力σmax=103.23MPa，發(fā)生在外板內(nèi)側(cè)與軸套連接部位，最大危險(xiǎn)區(qū)位于外板內(nèi)側(cè)與軸套連接部位，符合許用應(yīng)力要求。由圖8 可知最大變形為0.17053mm，符合壓力機(jī)撓度的設(shè)計(jì)要求[5]。

3.2.2 模態(tài)分析

機(jī)械壓力機(jī)在裝配好投入使用時(shí)，不少設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)并引起強(qiáng)烈的噪聲，不但影響工人的正常生產(chǎn)，降低設(shè)備中的部件壽命甚至導(dǎo)致部件的損壞，還會(huì)影響模具合模和分模的力學(xué)平穩(wěn)性，使加工的產(chǎn)品質(zhì)量下降。對(duì)已經(jīng)優(yōu)化的橫梁體模型進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證其固有頻率是否遠(yuǎn)大于工作頻率，可以有效避免振動(dòng)[6]。由于JG36-400C 型壓力機(jī)的工作時(shí)滑塊行程次數(shù)為16min-1，所以頻率為

在ANSYS Workbench 中選擇模態(tài)分析，設(shè)定需要求得的四階模態(tài)分析，求解到固有頻率為：一階，46.609Hz；二階，55.915Hz；三階，87.444Hz；四階，91.368Hz。其中一階頻率最小，遠(yuǎn)大于壓力機(jī)工作頻率，所以不會(huì)產(chǎn)生共振。一至四階振型圖如圖9 所示。

繼續(xù)減小5mm 板厚，求解有限元靜態(tài)和模態(tài)分析，若結(jié)果符合壓力機(jī)設(shè)計(jì)要求，則繼續(xù)減小厚度；若結(jié)果不符合壓力機(jī)設(shè)計(jì)要求則減小4mm，再進(jìn)行分析。重復(fù)上述過程，直到求解出最優(yōu)解。

4 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件對(duì)壓力機(jī)橫梁體進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，由分析結(jié)果知，保持蓋板和底板厚度不變，壓力機(jī)橫梁的內(nèi)板、外板和側(cè)板厚度減小6mm，既能夠滿足壓力機(jī)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度要求，又減輕了床身的重量，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)橫梁內(nèi)板、外板和側(cè)板厚度減小6mm 時(shí)，可節(jié)約鋼材約1.52t，大大降低了壓力機(jī)的生產(chǎn)成本。

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