預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)在板材多點(diǎn)成形設(shè)備中的應(yīng)用

曹建鋒，李帥臣，岳明英，師文濤

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314）

多點(diǎn)成形是將柔性制造和計(jì)算機(jī)技術(shù)合為一體，基于離散思想，將模具實(shí)體分離為不同規(guī)則的單元基本體，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制各基本體單元高度，構(gòu)造出成形面，實(shí)現(xiàn)板材的三維曲面成形。多點(diǎn)成形技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成現(xiàn)代制造領(lǐng)域的重要研究方向。

多點(diǎn)成形設(shè)備主要由壓力機(jī)集成部分和多點(diǎn)模具集成部分組成，機(jī)架是壓力機(jī)的主要部件，機(jī)架重量及機(jī)加工成本在整機(jī)成本中占有較高比例。工作過(guò)程中，機(jī)架所產(chǎn)生的變形量也占據(jù)機(jī)器總變形量的很大比例。所以，在機(jī)架設(shè)計(jì)中，如何合理布置，降低自重，提高剛度和強(qiáng)度，使應(yīng)力分布更加合適，是必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題[1]。

多點(diǎn)成形壓力機(jī)機(jī)架作為成形設(shè)備的主要受力部件，在機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中承受著全部載荷，因而其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和質(zhì)量保障對(duì)機(jī)器的機(jī)械性能和成本有顯著影響。機(jī)架的可靠性、強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性，對(duì)多點(diǎn)成形壓力機(jī)的總體機(jī)械性能也有著重要影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多點(diǎn)成形設(shè)備主要采用三梁四柱式壓力機(jī)[2]，如圖1所示。該壓力機(jī)由上橫梁、活動(dòng)滑塊、下橫梁、液壓缸、立柱、導(dǎo)向套、上沖頭群、下沖頭群和鎖緊螺母等組成。上橫梁和下橫梁通過(guò)四根立柱與鎖緊螺母連成一剛性桁架，活動(dòng)滑塊通過(guò)液壓缸實(shí)現(xiàn)由四根立柱導(dǎo)向的上下運(yùn)動(dòng)及加載。在活動(dòng)滑塊下平面及下橫梁上平面上加工有T形槽，用于安裝上下沖頭群。

圖1 傳統(tǒng)三梁四柱式多點(diǎn)成形設(shè)備

目前傳統(tǒng)的三梁四柱式壓力機(jī)普遍采用分段預(yù)緊結(jié)構(gòu)框架或者C型框架形式，從多年實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)可知，該種結(jié)構(gòu)鎖緊螺母預(yù)緊困難，而且剛度和強(qiáng)度較差，立柱既承受拉應(yīng)力，又承受彎曲應(yīng)力，在交變載荷作用下有可能發(fā)生疲勞斷裂。由于框架剛性差，對(duì)活動(dòng)滑塊不能很好地進(jìn)行約束，特別是在偏載工況下，液壓缸活塞桿承受彎曲應(yīng)力，使密封和導(dǎo)套工作狀況惡化，加劇磨損，影響壽命，同時(shí)對(duì)板材成形精度影響也較大。

預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)是在承受外加荷載之前，對(duì)該結(jié)構(gòu)施加壓應(yīng)力，以部分抵消因施加載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而改善結(jié)構(gòu)使用性能的一種新型組合結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多點(diǎn)成形設(shè)備中，可以承載較大的載荷，并可較好地減輕設(shè)備損傷，提高設(shè)備壽命。

本文提出一種新型的預(yù)應(yīng)力組合框架式板材多點(diǎn)成形壓力機(jī)，如圖2所示，主要由預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架、活動(dòng)滑塊、液壓缸、導(dǎo)向裝置、上沖頭群和下沖頭群組成。其中預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架由上橫梁、下橫梁和四件矩形截面的空心柱套，通過(guò)四根（每側(cè)一根）置于空心柱套中的預(yù)應(yīng)力拉桿和上下各四個(gè)螺母將其預(yù)緊成一個(gè)剛性框架?？招闹着c上橫梁、下橫梁連接，主要承受偏心壓制時(shí)的彎矩，預(yù)應(yīng)力拉桿僅承受拉伸應(yīng)力，其設(shè)計(jì)應(yīng)力值可大大提高，充分利用了材料性能，也減輕了設(shè)備重量。另外預(yù)應(yīng)力拉桿工作時(shí)應(yīng)力循環(huán)幅度小，其抗疲勞載荷能力也就得到提高，因此也提高了設(shè)備使用壽命[3]。

圖2 預(yù)應(yīng)力組合框架式多點(diǎn)成形設(shè)備

由于空心柱套采用矩形截面，每根柱套有兩個(gè)面連接有滑動(dòng)導(dǎo)板，使壓力機(jī)在工作過(guò)程中對(duì)柱套起到保護(hù)作用，減少了磨損。平面可調(diào)的導(dǎo)向裝置，完全改變了圓柱形立柱與導(dǎo)向套之間線接觸的幾何關(guān)系，大大降低了導(dǎo)套承受的比壓，并且由于其導(dǎo)向間隙易于調(diào)整，在長(zhǎng)期工作中能不斷地進(jìn)行調(diào)整以保持設(shè)計(jì)規(guī)定的精度，提高了滑塊工作的平穩(wěn)性。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

2.1.1 三梁四柱式機(jī)架

三梁四柱式多點(diǎn)成形壓力機(jī)機(jī)架，如圖3所示，主要由上橫梁、下橫梁、立柱和鎖緊螺母組成，機(jī)架的上、下橫梁分別采用箱形焊接結(jié)構(gòu)，上橫梁主要用于安裝液壓油缸，通過(guò)法蘭盤(pán)和螺母聯(lián)接，下橫梁通過(guò)支座用地腳螺栓與設(shè)備基礎(chǔ)錨固[4]。

圖3 三梁四柱式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架

圖4 三梁四柱式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架有限元模型

建立三梁四柱式機(jī)架模型時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將Solidworks建好的幾何模型導(dǎo)入ANSYS并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)42314，節(jié)點(diǎn)數(shù)134367。機(jī)架焊接用鋼板為 Q235，密度 7800kg/m3，泊松比 0.3，彈性模量 2.1×105MPa，屈服強(qiáng)度 235MPa。三梁四柱式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架有限元模型，如圖4所示。

該壓力機(jī)在工作狀態(tài)下，上橫梁和下橫梁為主要承載區(qū)域，二者主要承受來(lái)自垂直方向的工作壓力，工作載荷作用于上橫梁的法蘭盤(pán)上及下橫梁的四邊形區(qū)域上。下橫梁的下板底面為主要位移約束區(qū)，方向上的位移為零。由于壓力機(jī)機(jī)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)并承受中心工作載荷，工作狀態(tài)受力為5000kN。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架

預(yù)應(yīng)力組合框架式多點(diǎn)壓力機(jī)機(jī)架，如圖5所示，由上橫梁、下橫梁和四件矩形截面的空心柱套，通過(guò)四根置于空心柱套中的預(yù)應(yīng)力拉桿和上下各四個(gè)螺母將其預(yù)緊成一個(gè)剛性框架，上、下橫梁采用箱型焊接結(jié)構(gòu)，上橫梁主要用于安裝液壓油缸，通過(guò)法蘭盤(pán)和螺母聯(lián)接，下橫梁通過(guò)支座用地腳螺栓與設(shè)備基礎(chǔ)錨固[5]。

在建立預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架模型時(shí)，用同樣的方法對(duì)預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將SolidWorks建好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為83147，節(jié)點(diǎn)數(shù)為227704。機(jī)架結(jié)構(gòu)所用材料為Q235，密度 7800kg/m3，泊松比0.3，彈性模量為 2.1×105MPa，屈服強(qiáng)度為235MPa。預(yù)應(yīng)力組合框架式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架有限元模型如圖6所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力組合框架式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架

該結(jié)構(gòu)壓力機(jī)在機(jī)架受載前給予拉桿一定的預(yù)應(yīng)力，設(shè)定每一根拉桿預(yù)應(yīng)力為1600kN，壓機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，上橫梁承受模具裝置作用于它垂直向上的作用力，下橫梁承受模具組件垂直向下的作用力，該作用力大小為5000kN。

圖6 預(yù)應(yīng)力組合框架式多點(diǎn)壓機(jī)機(jī)架有限元模型

2.2 模擬結(jié)果分析

為了充分比較兩種不同結(jié)構(gòu)機(jī)架的受力情況，本文對(duì)兩種結(jié)構(gòu)機(jī)架分別在以下兩種工況下進(jìn)行分析：①工作狀態(tài)呈垂直載荷的情況下，兩種機(jī)架結(jié)構(gòu)受力情況；②工作狀態(tài)呈偏載的情況下，兩種機(jī)架結(jié)構(gòu)受力情況。

2.2.1 垂直載荷條件

垂直載荷工況下，三梁四柱式機(jī)架的總變形和應(yīng)力狀態(tài)分別如圖7、圖8所示；預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架的總變形和應(yīng)力狀態(tài)分別如圖9、圖10所示。

由圖7、圖9可見(jiàn)，三梁四柱式機(jī)架整體變形為2.3199mm，預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架整體變形最大值為1.5921mm，后者比前者小很多，整體變形分布更均勻。

圖7 三梁四柱式機(jī)架總變形

圖8 三梁四柱式機(jī)架應(yīng)力狀態(tài)

圖9 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架總變形

圖10 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架應(yīng)力狀態(tài)

由圖8、圖10可見(jiàn)，模擬后處理的應(yīng)力分布主要集中在上、下橫梁，最大應(yīng)力值基本出現(xiàn)在材料內(nèi)部的少數(shù)局部部分，對(duì)受力分析影響不大，因此本文采用均勻分布在上、下橫梁的均布應(yīng)力做比較。三梁四柱式機(jī)架均布應(yīng)力為133.75MPa，預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架均布應(yīng)力為74.2MPa，后者應(yīng)力要小于前者應(yīng)力，應(yīng)力分布較均勻。

2.2.2 偏載條件

偏載工況下，三梁四柱式機(jī)架的總變形和應(yīng)力狀態(tài)分別如圖11、圖12所示；預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架的總變形和應(yīng)力狀態(tài)分別如圖13、圖14所示。

由圖11、圖13可見(jiàn)，相同偏載情況下，三梁四柱式機(jī)架最大變形為2.8268mm，預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架最大變形為2.0947mm，后者比前者小很多，后者整體變形分布更均勻。

由圖12、圖14可見(jiàn)，與上述垂直載荷應(yīng)力分析相似，相同偏載情況下，同樣采用均布應(yīng)力分析比較。三梁四柱式機(jī)架均布應(yīng)力為153.99MPa，預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架均布應(yīng)力為102.9MPa，后者應(yīng)力比前者應(yīng)力小，應(yīng)力分布更加均勻。

圖11 三梁四柱式機(jī)架總變形

圖12 三梁四柱式機(jī)架應(yīng)力狀態(tài)

圖13 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架總變形

圖14 預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架應(yīng)力狀態(tài)

3 結(jié)論

（1）通過(guò)以上結(jié)果分析，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)提高了框架的剛性，在承受偏心載荷時(shí)，框架受力狀況得到改善。相比之下，三梁四柱式結(jié)構(gòu)則強(qiáng)度和剛度較差。

（2）通過(guò)結(jié)果分析，明顯看出預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架工作狀態(tài)下整體機(jī)身變形相比傳統(tǒng)三梁四柱式機(jī)架有優(yōu)勢(shì)，設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)；三梁四柱式結(jié)構(gòu)在承受偏載時(shí)，會(huì)使導(dǎo)套組合部分受力加劇，增加磨損，影響壽命。

（3）通過(guò)受力分析可知，預(yù)應(yīng)力機(jī)架受力分布更加均勻，有助于提高板材成形精度。

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