多向模鍛液壓機機身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

丁俊，徐春國，任廣升，任偉偉，郭永強，陳鈺金

(北京機電研究所，北京 100083)

在塑性加工領(lǐng)域，液壓機被廣泛應(yīng)用于自由鍛造、模鍛、沖壓、擠壓、剪切等許多工藝中。在機械工業(yè)的其他領(lǐng)域，液壓機被應(yīng)用于粉末制品、塑料制品、磨料制品、金剛石成形、打包、壓磚等不同行業(yè)[1]。

多向模鍛工藝一般應(yīng)用于航空、核電、石油等領(lǐng)域閥體的生產(chǎn)制造中。該工藝能夠加工一般模鍛工藝難以一次完成的復(fù)雜零件，提高材料的利用率，減輕后續(xù)的加工量，減少工藝流程。由于多向模鍛工藝的優(yōu)越性，多向模鍛液壓機的研發(fā)也越來越受到重視，多向模鍛液壓機的制造能力已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)制造業(yè)水平的重要標志之一。

機身是框架式液壓機的主要部件之一，作為承重件，承載著液壓缸、油箱、液壓閥等一系列零部件和結(jié)構(gòu)的重量，同時在工作過程中還受到工作缸所產(chǎn)生的公稱壓力，所以機身的強度和剛度對液壓機系統(tǒng)的整體性能具有很大影響。對于適用于精密模鍛的多向液壓機，由于剛度不足產(chǎn)生的變形將使設(shè)計模具的位置精度大大降低，從而影響鍛件的精度，因此提高剛度是提高鍛件精度的基本條件。傳統(tǒng)的多向模鍛液壓機一般都是主缸的噸位大于側(cè)缸的噸位，由于文中選用的研究對象工藝的特殊性，要求側(cè)缸的噸位大于主缸的噸位，所以對機身結(jié)構(gòu)強度的校核提出了更高的要求。對于液壓機這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況復(fù)雜而且承受載荷大的機械設(shè)備，采用三維建模和有限元分析相結(jié)合的方式對機身進行靜力分析計算，得到一系列應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖以及應(yīng)力集中和最大變形的位置，對其強度和剛度進行全面校核。此外在不影響整機工作性能的前提下，對機身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，這樣可極大地縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低成本，也為框架式液壓機的生產(chǎn)和改進提供依據(jù)。

1 機身有限元模型的建立

1.1 三維幾何建模

文中以3150 kN多向模鍛液壓機為研究對象，采用UG軟件進行三維實體建模，對液壓機機身進行參數(shù)化設(shè)計，為后續(xù)進行的優(yōu)化設(shè)計提供各種參數(shù)[2]。在不影響機身應(yīng)力應(yīng)變計算精度的前提下，簡化一些圓角、凸臺，忽略不是主要承力部分的一些尺寸較小的開孔以及板塊，如螺紋孔、銷孔以及一些淺槽等，最終建立的液壓機機身模型如圖1所示。

圖1 液壓機機身三維模型Fig.1 3D model of the multi-ram forging hydraulic press

1.2 建立有限元模型

將簡化后的模型導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中進行網(wǎng)格劃分，所劃分的單元形式對計算精度和計算時間將產(chǎn)生直接影響。對于液壓機這種大型且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型，采用solid45單元對三維模型進行網(wǎng)格劃分，并對載荷集中的區(qū)域進行網(wǎng)格細化。網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示[3]。

圖2 機身有限元模型Fig.2 FEM model of the frame

劃分網(wǎng)格后共得到單元61968個，節(jié)點108110個。機身由Q235鋼焊接而成，主要的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 Q235鋼力學(xué)性能參數(shù)Table1 The mechanical properties of Q235

1.3 載荷的處理

該型號液壓機在工作時有垂直工作載荷和水平工作載荷。一般的多向模鍛液壓機主缸的噸位大于側(cè)缸的噸位，由于工藝的特殊性，該液壓機側(cè)缸的噸位(4000 kN)大于主缸的噸位(3150 kN)。當對主油缸加壓，假設(shè)通過力的傳遞使機身的上橫梁受到均勻向上的作用力，以液壓機的公稱壓力作為計算載荷，液壓缸對上橫梁的反作用力3150 kN以均布力的形式，作用在上橫梁油缸安裝面上的R 264.5 mm～R 287.5 mm的圓環(huán)上，則平均應(yīng)力為79 MPa;同時液壓缸也將公稱壓力傳遞給下工作臺的模具安裝面上，平均應(yīng)力為2.5 MPa。與垂直工作載荷一樣，假設(shè)水平工作載荷4000 kN以均布力的形式作用在側(cè)梁中心R 302 mm～R 360 mm的圓環(huán)上，則平均應(yīng)力為 33.7 MPa[4]。

1.4 約束的施加

實際工作中，機身通過地腳螺栓與地基相連，所以邊界條件可以設(shè)置機身底座為全約束，即約束機身底面z向的自由度，液壓機機身的載荷和約束情況如圖3 所示[5]。

圖3 液壓機機身載荷和約束情況Fig.3 The load and the fixed support of the press frame

2 結(jié)果分析

2.1 變形分析

根據(jù)建立的有限元模型，通過靜力分析求解，得到一系列機身的變形、應(yīng)力云圖。機身在滿載荷情況下的變形等值線如圖4所示。為了便于分析，在Workbench軟件中，定義水平向右為x正方向，垂直于紙面向里為y正方向，豎直向上為z正方向。通過圖4可以看出，變形最大的區(qū)域均位于3個安裝油缸的法蘭面上，該區(qū)域受到液壓缸的反作用力，變形程度大于其他區(qū)域。分析結(jié)果表明，x向和z向的最大變形量都在0.48 mm左右，x向?qū)?yīng)機身的側(cè)梁，計算其相對撓度為0.193 mm/m，z向?qū)?yīng)機身的上橫梁，計算其相對撓度為0.227 mm/m。由此可見，機身x向和z向的相對撓度要大于允許值(0.15 mm/m)[1]，屬于薄弱環(huán)節(jié)，是應(yīng)該進行改進和優(yōu)化的重點。

圖4 機身變形等值線Fig.4 Displacement of the main frame

從圖4還可以看出，左右兩側(cè)梁油缸安裝面的上部分顏色比下部分顏色深，變形量并不是沿其軸線呈對稱分布的，安裝面上部分的變形大于下部分。表明左右兩側(cè)梁上部分的剛度相對較薄弱，需要優(yōu)化[6]。

2.2 應(yīng)力分析

文中采用Von Mises應(yīng)力作為評價標準[7]，如式(1):

機身采用Q235鋼板焊接，取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力[σ]為196 MPa。機身的等效應(yīng)力分布如圖5所示，可以看出，液壓機機身絕大部分的應(yīng)力都在0～91 MPa之間，幾處應(yīng)力較大的區(qū)域分布在導(dǎo)柱孔的內(nèi)表面上，其值在122 MPa左右。仿真數(shù)據(jù)表明機身的等效應(yīng)力在許用范圍內(nèi)，機身強度足夠。

圖5 機身等效應(yīng)力分布Fig.5 Equivalent stress of the main frame

3 機身剛度優(yōu)化

通過對機身進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)機身在x，z向的變形量超出許用值，可見機身橫梁剛度不足。由于橫梁的剛度對液壓機的性能和安全性影響很大，所以在設(shè)計上需要認真考慮機身的上橫梁和左右側(cè)梁的剛度。根據(jù)之前對上橫梁和左右側(cè)梁的有限元分析，提出了3種優(yōu)化措施進行對比分析。

1)增加法蘭面面積?？紤]到油缸安裝在橫梁的法蘭面上，法蘭面面積較小，僅僅是一個小環(huán)面，有可能造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致橫梁的變形過大。如增加法蘭面面積，則增大了油缸與橫梁的接觸面積，相應(yīng)的載荷就隨之降低。

2)增厚筋板。機身變形過大可能是由于與油缸接觸的筋板強度不夠，因此將筋板增厚10 mm。

3)合理加裝筋板。通過觀察修改前的機身剖面圖(如圖6a所示)，發(fā)現(xiàn)左右側(cè)梁的上半部分筋板數(shù)量不夠。采取在左右側(cè)梁的上半部加裝加強筋板的措施，來抑制機身在x向的變形，加裝筋板后的機身剖面圖如圖6b所示[8]。

圖6 機身修改前后的對比Fig.6 Comparison before and after modification of the frame

分別按照上述3種方案對機身進行有限元分析，通過對比發(fā)現(xiàn):上述3種解決措施均使機身的變形有所降低，但是降低的效果并不明顯，因此考慮將3種解決措施綜合使用。發(fā)現(xiàn)綜合采用措施2和措施3使得機身的變形幅度降低最為明顯，如圖7和圖8所示，機身在x向的變形量為0.35 mm，單位長度變形量為0.14 mm/m;在z向的變形量為0.347 mm，單位長度變形量為0.15 mm/m。機身單位長度的變形均未超過許用值，機身的剛度符合設(shè)計規(guī)范[9]。

圖7 機身在x向的變形Fig.7 Displacement of the x direction

圖8 機身在z向的變形Fig.8 Displacement of the z direction

4 結(jié)語

1)通過對側(cè)缸噸位大于主缸噸位的多向模鍛液壓機機身進行有限元分析，得到了該型號液壓機在滿負荷條件下的機身變形、應(yīng)力云圖。通過對模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原設(shè)計的機身強度達到設(shè)計要求，但是上橫梁和左右側(cè)梁的剛度不夠。

2)提出3種解決措施并進行優(yōu)化模擬，發(fā)現(xiàn)綜合采用增厚筋板和合理加裝筋板最為有效，機身剛度滿足設(shè)計規(guī)范要求。

[1]俞新陸.液壓機的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[2]何柏巖，張連紅，王樹新，等.THP37-150A型液壓機主機與部件有限元分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17(3):438 －444.

[3]張倩倩，王剛，薛克敏，等.新型6300 kN多向模鍛液壓機的有限元分析[J].精密成形工程，2011，3(4):72－75.

[4]韓江，陳黨，夏鏈，等.20 MN大型框架式液壓機機身有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].鍛壓技術(shù)，2011，36(3):67－70.

[5]劉強，付文智，李明哲，等.三梁四柱式多點成形壓力機機架結(jié)構(gòu)有限元分析和優(yōu)化設(shè)計[J].塑性工程學(xué)報，2003，10(5):49 －52.

[6]申磊，董平，吳鳳林，等.基于Pro/E和AnsysWorkbench四柱液壓機上橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械管理開發(fā)，2009，24(2):10 －12.

[7]李志波，吳樹亮，趙長財，等.12.5 MN雙柱快鍛液壓機機架的有限元分析[J].鍛壓技術(shù)，2008，33(4):100－104.

[8]居大偉，李森.框架式液壓機機身結(jié)構(gòu)承載分析[J].機械設(shè)計，2010，27(9):81 －83.

[9]楊秀萍，張敬宇.3 MN液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計的有限元計算[C].2004Ansys中國用戶論文集，2004:20－25.