基于ANSYS的壓力機(jī)工作臺受力分析

田世領(lǐng)，何燦燦昆，端武治

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225128）

0 引言

近年來，為提高壓力機(jī)加工能力，世界各國在不斷增大壓力機(jī)的噸位和運(yùn)行速度，目前國產(chǎn)通用機(jī)械壓力機(jī)的最大壓力已達(dá)26000kN。工作臺是壓力機(jī)的重要零件之一，其強(qiáng)度是限制壓力機(jī)加工性能的主要因素，因而已成重點(diǎn)研究課題。而工作臺的剛度分析也非常重要，如果工作臺彎曲剛度不夠，則會在一定程度上惡化機(jī)身、滑塊等重要零件的工作條件，影響壓力機(jī)的工作精度和可靠性[1-2]。一般，工作臺結(jié)構(gòu)尺寸憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式相對較多，但經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對于不同的設(shè)計(jì)者差異較大，往往計(jì)算量較大、設(shè)計(jì)周期較長。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始致力于分析計(jì)算的方法，逐步使壓力機(jī)輕量化，有效節(jié)約資源。

為實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的輕量化和高精度加工，提高加工性能，本文利用模擬實(shí)體的有限元分析方法對壓力機(jī)工作臺進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。

1 工作臺建模與分析

1.1 模型簡化

為了更好地模擬工作臺的受力狀況，建立工作臺、上梁和立柱的仿真模型，對其施加載荷和約束條件，分析其剛度和強(qiáng)度。工作臺結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、尺寸較大，為了便于分析計(jì)算，對工作臺進(jìn)行適當(dāng)簡化[3-4]：①在建立模型時，忽略一些小孔、螺釘孔及倒角，以簡化結(jié)構(gòu)形狀，減少網(wǎng)格劃分難度和計(jì)算時間；②去掉工作臺上的T型槽結(jié)構(gòu)，取工作臺上模具的工作面積作為施加載荷面；③去掉底座固定零件，對工作臺4個地腳螺栓孔施加約束，模擬底座的固定。

1.2 工作臺實(shí)體模型

由壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及工作臺的約束可知，若只對工作臺進(jìn)行建模分析，則無法模擬出上梁及立柱等零部件受力對工作臺的影響，因此必須建立工作臺、立柱和上梁三部分的模型，工作臺嚴(yán)格按照零件圖尺寸建模。立柱和上梁不是分析的重點(diǎn)，所以只建立簡化模型，所建Solidworks實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 實(shí)體模型

1.3 單元及材料特性參數(shù)定義

在分析中采用Solid95單元，網(wǎng)格劃分形式采用自由網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖2所示。工作臺材料為Q235-A，彈性模量取212GPa，泊松比取0.288，材料密度取7860kg/m3[5-6]。

圖2 整體網(wǎng)格模型

1.4 載荷及邊界條件的施加

有限元分析中，約束條件處理必須遵循兩個原則：①有足夠的約束；②不允許多余約束。工作臺為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，因其焊接部位較多，且在有限元分析中較難分析其焊接質(zhì)量，因此，在本次分析中，將整個工作臺看作一個整體進(jìn)行分析。在結(jié)果的后續(xù)處理中重點(diǎn)分析焊接處應(yīng)力狀況[7-8]。因此在上述分析中，分析結(jié)果的剛度和強(qiáng)度比實(shí)際狀況偏大，工作臺的載荷及邊界條件如圖3、圖4所示。

圖3 工作臺載荷

圖4 工作臺邊界條件

取工作臺模具的工作面積和與上梁的對應(yīng)面積為施加壓力載荷部，壓力大小分別為2.25MPa、2.1MPa。取工作臺的四個螺栓孔作為固定約束，約束其x，y和z三個方向的位移。設(shè)定y（豎直）方向的慣性加速度為9.8 m/s2，模擬重力作用。

2 結(jié)果分析

2.1 剛度分析結(jié)果

剛度分析結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可知，整體結(jié)構(gòu)工作臺的最大位移為0.629mm，分塊結(jié)構(gòu)為0.986mm；由圖6可看出，整體結(jié)構(gòu)工作臺垂直方向上的最大位移為0.229mm，分塊結(jié)構(gòu)為0.579mm。

圖5 工作臺總位移

圖6 工作臺垂直方向位移

2.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

強(qiáng)度分析結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 整體等效應(yīng)力云圖（0～60MPa）

圖8 整體等效應(yīng)力云圖（0～120MPa）

圖9 底部等效應(yīng)力云圖（0～60MPa）

圖10 底部等效應(yīng)力云圖（0～120MPa）

由工作臺的整體等效應(yīng)力云圖（圖7～8）可知，從工作臺的外部來看，兩種結(jié)構(gòu)工作臺的應(yīng)力大部分在120MPa以下，部分區(qū)域的應(yīng)力較大。

由工作臺底部等效應(yīng)力云圖可以看出，整體結(jié)構(gòu)的安裝連接螺母的鋼板與其垂直鋼板的連接處最大應(yīng)力為93MPa，分塊結(jié)構(gòu)為243MPa，其余地方應(yīng)力均較小。最大應(yīng)力處為鋼板焊縫處，因焊接質(zhì)量難以保證，焊接強(qiáng)度較整體強(qiáng)度偏低，所以，此處為整個工作臺的危險(xiǎn)位置。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)有限元基本理論和方法，利用有限元軟件ANSYS對壓力機(jī)工作臺強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析。

（2）仿真結(jié)果表明，整體結(jié)構(gòu)工作臺的最大應(yīng)力較分塊結(jié)構(gòu)小250MPa，為約束（有限元分析時施加在圓孔上的約束）引起的集中應(yīng)力，其實(shí)際值遠(yuǎn)小于分析值，可不予考慮。整體結(jié)構(gòu)的底板和肋板連接處的最大應(yīng)力較分塊結(jié)構(gòu)小150MPa，位于鋼板的焊接位置處，為工作臺的危險(xiǎn)位置，其余位置應(yīng)力較小，均在120MPa以下，因此整體結(jié)構(gòu)工作臺的設(shè)計(jì)較好，分塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在缺陷，不能滿足使用要求。

（3）所做研究為合理設(shè)計(jì)壓力機(jī)工作臺結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的輕量化提供了理論參考。

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