基于ANSYS的井、米字型液壓壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體的比較分析

蘭加標(biāo) ，傅波 ，王文亞 ，劉德江，衛(wèi)平

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065；2.成都萊克冶金機(jī)械設(shè)備制造有限公司，成都 610041）

1 引言

液壓壓力矯直機(jī)是棒材生產(chǎn)過(guò)程中廣泛采用的一種矯直設(shè)備。它采用“三點(diǎn)”矯直的原理，將棒材支承在兩個(gè)活動(dòng)支點(diǎn)（砧座）之間，然后用液壓壓頭對(duì)準(zhǔn)最彎部位進(jìn)行反向壓彎，當(dāng)壓彎量與工件彈復(fù)量相等時(shí)，壓頭撤回后棒材的彎曲部位變直，從而達(dá)到矯直的目的［1］。矯直機(jī)主機(jī)是矯直執(zhí)行設(shè)備，其上安放有矯直用液壓缸和砧座，其機(jī)體通過(guò)地腳螺栓固定在地基上，如圖1 所示。矯直時(shí)，主機(jī)機(jī)體和地腳螺栓承受著矯直反作用力。如果機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，剛度達(dá)不到要求，機(jī)體將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大的變形，從而影響主機(jī)的壽命和棒材的加工精度。由于主機(jī)機(jī)體的制造成本很高，因此在制造之前，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析就顯得非常重要。在前期的研究中，我們對(duì)主機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析［2］，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。本文針對(duì)井字型和米字型兩種主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，運(yùn)用ANSYS Workbench 對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析，確定了合理的主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)形式，為液壓壓力矯直機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供參考。

圖1 主機(jī)機(jī)體與地基聯(lián)接簡(jiǎn)圖

2 主機(jī)機(jī)體、地腳螺栓和地基裝配體有限元模型的建立

2.1 三維實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分

圖2 井字型底板結(jié)構(gòu)

圖3 米字型底板結(jié)構(gòu)

井字型底板和米字型底板兩種主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)分別如圖2 和圖3 所示。機(jī)體 長(zhǎng) 4670mm，寬2740mm，高2150mm。采用三維CAD設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 建立矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體、地腳螺栓與混凝土地基的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，單元尺寸設(shè)置為0.1m，得到201842個(gè)節(jié)點(diǎn)、99913 單元［4］。裝配體網(wǎng)格模型如圖4 所示。表1 給出了裝配體材料性能參數(shù)。

2.2 約束與載荷處理

圖4 矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體、地腳螺栓與混凝土地基有限元網(wǎng)格模型

表1 裝配體材料性能參數(shù)

2.2.1 約束處理如圖1 所示，20個(gè)預(yù)埋在混凝土地基上的地腳螺栓將矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體緊緊地固定在地基上面。地腳螺栓埋在混凝土中，地腳螺栓與地基之間的接觸，采用綁定（Bonded）類(lèi)型；主機(jī)機(jī)體底面與混凝土地基之間的接觸，采用摩擦（Frictional）類(lèi)型，摩擦系數(shù)設(shè)置0.2；螺母與主機(jī)機(jī)體之間的接觸，采用摩擦（Frictional）類(lèi)型，摩擦系數(shù)設(shè)置0.2；螺母與地腳螺栓之間的接觸，采用綁定（Bonded）類(lèi)型?；炷恋鼗卤砻嫱耆s束，添加固定支撐。

2.2.2 載荷施加

主機(jī)機(jī)體兩砧座之間的距離為500～2500mm，分析時(shí)取砧座距離為2500mm。每個(gè)砧座表面施加6.67MN的力，方向垂直于砧座表面向里。主液壓缸頂出頭端面施加13.34MN的力，方向垂直表面向里。地腳螺栓施加1MN的預(yù)緊力。主機(jī)機(jī)體載荷施加如圖5 所示。整個(gè)模型施加載荷和約束后的模型如圖6 所示。

圖5 主機(jī)機(jī)體載荷施加示意圖

圖6 施加載荷和約束后的模型

3 井字型和米字型主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析

3.1 井字型底板主機(jī)機(jī)體強(qiáng)度和剛度分析

當(dāng)砧座之間的跨度為最大時(shí)（2500mm），進(jìn)行有限元計(jì)算，主機(jī)機(jī)體、地腳螺栓與混凝土地基裝配體的應(yīng)力和總變形分布云圖如圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力集中在螺母上，為1043.5MPa；主機(jī)機(jī)體較為薄弱處應(yīng)力為322.7MPa；地腳螺栓受到的最大應(yīng)力為413.4MPa。最大總變形量出現(xiàn)在砧座上邊緣，為3.8mm。

圖7 井字型底板裝配體應(yīng)力分布云圖

圖8 井字型底板裝配體總變形分布云圖

3.2 米字型底板主機(jī)機(jī)體強(qiáng)度和剛度分析

壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體上砧座之間的距離最大時(shí)（2500mm），執(zhí)行有限元計(jì)算，裝配體模型的應(yīng)力和總變形分布云圖如圖9 和圖10 所示。最大應(yīng)力主要集中在螺母，為885.8MPa；主機(jī)機(jī)體較為薄弱處應(yīng)力為360.9MPa；地腳螺栓受到的最大應(yīng)力為334.4MPa 左右。最大總變形量出現(xiàn)在砧座上邊緣，為4.2mm。

圖9 米字型底板裝配體應(yīng)力分布云圖

圖10 米字型底板裝配體總變形分布云圖

3.3 兩種主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

井字型和米字型主機(jī)機(jī)體在載荷和約束條件都一致的情況下，最大應(yīng)力都分布在螺母上。井字型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為1043.5MPa，米字型結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為885.8MPa。對(duì)于主機(jī)機(jī)體自身而言，其受到的最大應(yīng)力，井字型結(jié)構(gòu)為322.7MPa，米字型結(jié)構(gòu)為360.9MPa。地腳螺栓受到的最大應(yīng)力，井字型結(jié)構(gòu)為413.4MPa，米字型結(jié)構(gòu)為334.4MPa。最大總變形量都出現(xiàn)在砧座的上邊緣，井字型結(jié)構(gòu)為3.8mm，米字型結(jié)構(gòu)為4.2mm。

主機(jī)機(jī)體材料抗拉強(qiáng)度在470～630MPa 之間，地腳螺栓的抗拉強(qiáng)度在600～800MPa 之間，螺母的抗拉強(qiáng)度在800～900MPa 之間。從有限元分析的結(jié)果可以看出，兩種結(jié)構(gòu)主機(jī)機(jī)體的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求；井字型結(jié)構(gòu)的螺母受到的最大應(yīng)力超出了螺母的抗拉強(qiáng)度，米字型結(jié)構(gòu)的螺母滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度的要求；米字型結(jié)構(gòu)的地腳螺栓受到的應(yīng)力總體比井字型結(jié)構(gòu)小；兩種結(jié)構(gòu)機(jī)體的總變形量相差不大?？紤]各個(gè)主要零件的強(qiáng)度，米字型底板的主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)比井字型底板的主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)更為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用SolidWorks 與ANSYS Workbench 軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-仿真的同步協(xié)同，對(duì)井字型和米字型底板結(jié)構(gòu)的液壓壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體、地腳螺栓與混凝土地基裝配體進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)對(duì)比分析兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型中相同零件的強(qiáng)度和剛度，并綜合考慮其他相關(guān)因素，得出了井字型底板的主機(jī)機(jī)體比米字型底板的主機(jī)機(jī)體更加合理的結(jié)論。根據(jù)本文研究結(jié)果制造的井字型機(jī)體壓力矯直機(jī)目前已在工廠使用，該機(jī)工作動(dòng)作平穩(wěn)，鋼棒矯直精度滿(mǎn)足要求。本文的分析方法和分析結(jié)果可為類(lèi)似的壓力矯直機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

［1］崔甫.矯直原理與矯直機(jī)械［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］梅若愚，傅波.基于ANSYS的15MN 液壓壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體的有限元分析［J］.機(jī)械工程師，2011（2）：83-85.

［3］梅若愚，傅波.基于ANSYS Workbench的分體式壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.液壓與氣動(dòng)，2012（3）：66-68.

［4］汪宇，王東方.基于AWE的立式加工中心床身優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（1）：130-131.