數字樣機在大型多向模鍛壓機設計中的應用

曾祥東 張 華 杜俊雷 陳 文 于 江 袁 雯

(中國第二重型機械集團公司，四川 610052)

數字樣機在大型多向模鍛壓機設計中的應用

曾祥東 張 華 杜俊雷 陳 文 于 江 袁 雯

(中國第二重型機械集團公司，四川 610052)

針對在大型多向模鍛壓機設計中設備零部件繁多、壓制工藝復雜，造成設計任務繁重的問題，提出在大型多向模鍛壓機設計中應用數字樣機技術，采用參數化設計以及仿真分析計算，對眾多的設計方案進行優(yōu)化選擇，提高設計效率和設計質量。通過應用運動仿真以及有限元分析計算，能夠減輕機械設備自重，降低材料消耗與制造成本。

大型多向模鍛壓機;數字樣機;參數化設計;SolidWorks建模;運動仿真

數字樣機技術是在產品設計開發(fā)過程中，將分散的零部件設計和分析技術糅合在一起，在計算機上建造出產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產品整體性能，進而改進產品設計、提高產品性能。隨著計算機及軟件技術的發(fā)展，數字樣機技術逐步被運用到大型多向模鍛壓機的設計中來。在大型多向模鍛壓機的設計中，根據用戶對多向模鍛工藝的實際需求，建立大型多向模鍛壓機的數字化仿真模型，利用參數化設計和數字樣機技術，分析計算大型多向模鍛壓機的整體性能。利用數字樣機技術有效地縮短壓機的設計時間，保證壓機設計質量。

1 大型多向模鍛壓機數字樣機參數化設計與仿真的總體流程

(1)根據典型模鍛工藝要求以及用戶產能的長遠規(guī)劃，確定大型多向模鍛壓機的基本技術規(guī)格，依據基本技術規(guī)格對壓機的主要零部件以及整機進行參數化設計，并在三維軟件中創(chuàng)建出數字樣機三維實體模型。

(2)根據參數化樣機的三維模型，在運動學仿真軟件中，對大型多向模鍛壓機進行整機運動仿真，獲得仿真實驗數據。

(3)運用靜力學仿真軟件對大型多向模鍛壓機進行受力分析，并獲得大型多向模鍛壓機整機模型及關鍵零部件的受力分析圖，依據所得到的數據對大型多向模鍛壓機關鍵零部件進行優(yōu)化設計。

大型多向模鍛壓機的數字樣機參數化設計與仿真總體研究路線如圖1所示。

2 大型多向模鍛壓機數字樣機設計方法

2.1 大型多向模鍛壓機的整機參數化設計方法

鑒于大型多向模鍛壓機的上橫梁、下橫梁等均為大型箱形結構，用傳統的手工計算及2D有限元計算方法得到的結果均與實測情況相差較大(尤其是在出砂孔區(qū)域和應力集中區(qū)域)，無法使結構更加合理及提供方向性思路。主工作缸缸底圓角及過渡區(qū)形狀、斜度、圓弧等以往都是根據經驗來進行設計和修改，沒有從計算機分析及優(yōu)化的角度進行設計。為了使大型多向模鍛壓機從設計階段就能夠在質量上得到最大的保證，并且滿足用戶對時間周期的要求，在大型多向模鍛壓機的設計中，對于關鍵件及其它重要件采用了參數優(yōu)化設計方法。其流程如下：

圖1 大型多向模鍛壓機數字樣機總體研究路線示意圖Figure 1 General research route illustration of numerical specimen machine for heavydutymultiway die forging press

(1)三維建模后，采用三維有限元方法對整機及部件裝配進行分析。

(2)如果零件太復雜，則在此基礎上，進行零件的分析計算。

(3)在三維有限元計算的基礎上，確立優(yōu)化目標。

(4)分析并建立模型結構參數，建立參數分析、優(yōu)化模型。

(5)利用計算機軟件先進的參數分析模塊，分析模型結構參數;如果利用現有的結構參數不能夠達到優(yōu)化目標或相差很大，則必須對結構做大的修改，修改后重復步驟(1)～(5)。

(6)觀察各參數之間的關系及其對各關鍵件的強度和撓度的影響趨勢及強弱程度，篩選出主要的優(yōu)化參數。

(7)根據已確定的優(yōu)化目標及優(yōu)化參數，給定優(yōu)化限制條件，使用先進的優(yōu)化程序及模塊進行優(yōu)化，并同步更新模型。

針對大型多向模鍛壓機關鍵件所采取的優(yōu)化設計方法，充分利用計算機及設計、分析軟件的強大功能，采用有針對性的編程和網格節(jié)點重置，進行整機及各零部件的虛擬裝配、分析及優(yōu)化，避免了樣機和試驗投入及經驗設計所帶來的反復校核過程。圖2是用SolidWorks軟件搭建的大型多向模鍛壓機的數字樣機三維模型。

2.2 大型多向模鍛壓機運動仿真

大型多向模鍛壓機的運動速度和加速度不是很高，但由于大型多向模鍛壓機本身重量大，壓制噸位大，并且有水平穿孔、垂直壓制工藝的復雜性，應高度重視對于機架結構強度的影響，因此需要對大型多向模鍛壓機進行運動學仿真分析。采用虛擬樣機技術構建了大型多向模鍛壓機動態(tài)仿真系統，利用該系統研究大型多向模鍛壓機關鍵部件運動軌跡的特點，優(yōu)化大型多向模鍛壓機結構，分析活動橫梁、水平穿孔以及移動工作臺等的運動過程，并且在運動過程中檢驗部件間的干涉情況，主要獲得活動橫梁以及水平穿孔部分在運動的任一位置各鉸接點處的速度、位移以及力的數據，并以曲線圖顯示。應用SolidWorks Motion運動仿真軟件對模型進行詳細的約束和驅動定義，模擬大型多向模鍛壓機的整個運動過程并對其運動過程中部件間的干涉情況進行檢查，檢驗數字樣機物理模型的合理性。圖3為在Solid-Works Motion運動仿真軟件中大型多向模鍛壓機數字樣機水平穿孔工藝運動仿真圖，圖4所示是大型多向模鍛壓機的運動仿真結果曲線圖。

圖2 大型多向模鍛壓機數字樣機三維模型圖Figure 2 Three dimensionalmodel of numerical specimenmachine for heavy dutymultiway die forging press

2.3 大型多向模鍛壓機靜力學仿真

根據大型多向模鍛壓機模型工藝需要，機械本體部分分為垂直、水平兩部分，機械受力方面兩部分相對獨立，為簡化計算，在靜力學分析的時候兩部分是分開來進行計算的。大型多向模鍛壓機數字樣機主機架及水平機架靜力學仿真模型見圖5。首先對大型多向模鍛壓機進行模型簡化，采用靜力學仿真軟件對簡化后的模型進行分析計算。通過有限元分析計算得出模型的應力圖，分離出關鍵零部件的計算數據，判斷其受力是否滿足大型多向模鍛壓機的設計要求，進而對大型多向模鍛壓機進行結構上的優(yōu)化。

在靜力學有限元分析計算中，將三維大型多向模鍛壓機模型通過接口模塊導入MARC有限元分析軟件中，賦予各結構件一定的材質特性，設定分析計算的邊界條件。按照公稱壓力(垂直壓力200MN，水平穿孔力50MN)對大型多向模鍛壓機施加載荷，通過MARC有限元分析軟件的計算，可得出大型多向模鍛壓機各部分的應力應變和安全系數等分布情況?？焖僬页龃笮投嘞蚰ｅ憠簷C的強度薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化結構提供設計參數。大型多向模鍛壓機的關鍵零部件下橫梁的主應力及等效受力如圖6所示。

圖3 大型多向模鍛壓機數字樣機水平穿孔工藝運動仿真Figure 3 Motion simulation of horizontal perforation process for heavy dutymultiway die forging press numerical specimenmachine

圖4 大型多向模鍛壓機數字樣機運動仿真結果曲線Figure 4 Motion simulation result curve of numerical specimen machine for heavy dutymultiway die forging press

圖5 大型多向模鍛壓機數字樣機主機架及水平機架靜力學仿真模型Figure 5 Statics simulation model ofmain frame and horizontal frame for heavy dutymultiway die forging press numerical specimentmachine

3 結語

本文重點介紹了大型多向模鍛壓機數字樣機設計中的參數化設計以及仿真分析計算。通過大型多向模鍛壓機參數化設計，可以從眾多的設計方案中找出盡可能完善或適宜的設計方案，提高設計效率和設計質量。應用運動仿真以及有限元靜力學分析計算，為大型多向模鍛壓機的參數化優(yōu)化設計提供強有力的支撐，不僅可以減輕機械設備自重，降低材料消耗與制造成本，而且可以提高大型多向模鍛壓機的設計質量與工作性能。這對于增強我國大型多向模鍛壓機設計及制造的數字化平臺建設，提高裝備制造業(yè)的競爭力具有現實意義。

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［2］林道盛.鍛壓機械及其有限元計算.北京：北京工業(yè)大學出版社，1998.

［3］俞新陸.液壓機的設計與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊：第3卷［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］紀愛敏.機械CAE分析原理及工程實踐.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

編輯 傅冬梅

Application of Numerical Specimen Machine to Design of Heavy Duty Multiway Die Forging Press

Zeng Xiangdong，Zhang Hua，Du Junlei，Chen W en，Yu Jiang，Yuan Wen

Regarding to problem of too many parts and complex press technique to raise heavy design task，the project of application of numerical specimenmachine to design of heavy duty multiway die forging press has been put forward.By adopting parameterized design and simulation analysis and calculation，various design projects have been optimized and selected to upgrade design efficiency and quality，furthermotion simulation and finite element analysis and calculation have been applied to decrease mass of machinery equipments and reduce material consumption and manufacturing cost.

heavy duty multiway die forging press;numerical specimen machine;parameterized design;Solid-Wordsmodeling;motion simulation

TG315.4+2

A

2013—06—29

“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項(2011ZX04016-081)

圖6 關鍵件下橫梁應力云圖Figure 6 Stress cloud chart of end beam of critical component