5000t雙柱式液壓機有限元分析

胡健 房慶龍 趙玲莉 居久根

摘 要：液壓機通過流體中介進行傳動，已經(jīng)成為機械設備領域應用最為廣泛的大型設備之一，對于提升機械產(chǎn)品的性能具有不可替代的重要意義。雙柱式液壓機在重型機械加工以及機械設備中具有重要的應用。能夠對金屬材料進行拉伸、冷擠等多個工藝流程操作。同時對校正、壓裝等產(chǎn)品加工過程也至關重要。本文簡要說明了機身三維模型的建立、材料定義及網(wǎng)絡劃分，闡述了邊界條件和栽花的施加，最后對機身靚圖學進行分析。

關鍵詞：5000t雙柱式液壓機 三維模型 分析

中圖分類號：TG31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0003-02

對公司所生產(chǎn)的5000t雙柱式液壓機采用有限元分析法，對機身模型的力學特性、材料特性以及傳動特性等性能進行分析對于提升設備的性能、優(yōu)化參數(shù)的設計具有重要的理論以及實踐應用價值。通過有限元分析，液壓設備的傳動性能以及力學特性都得到了顯著提升，促進設備性能的提升，對產(chǎn)品有重要影響。

1 機身三維模型的建立

從結構上看，機身主要分成四大件（上橫梁、立柱、下橫梁、主缸），如圖1所示。上橫梁和立柱采用卡鍵連接，下橫梁和立柱采用臺階定位，上橫梁和下橫梁通過兩立柱連接成封閉的雙柱結構。上橫梁和主缸缸口部分做成一體，這樣提高了上橫梁的強度和剛度，保證超壓機在滿載工況下的精度和穩(wěn)定性。

為減少布爾運算及網(wǎng)格劃分難度，機身結構模型需進行簡化，簡化后的主要力學性能不發(fā)生改變，簡化內容如下。

（1）忽略一些小孔、倒角及凸臺的影響。

（2）避免出現(xiàn)較小的面、線，降低網(wǎng)格劃分難度。

（3）機身結構左右對稱，且工作載荷也對稱，為減少計算量，可選擇1/2結構模型進行有限元分析。

（4）分析過程中，去掉模具。

采用三維繪圖軟件SolidWorks對機身進行三維建模，然后導入到ABAQUS中，這樣大大提高了建模的速度。

2 材料定義及網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模型建立的一個重要環(huán)節(jié)，計算精度一般會隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而有所提高，但計算時間會有所增加。

劃分網(wǎng)格時，在四面體與掃掠型劃分之間自動切換，對于實體SOLID劃分，在四面體與六面體單元之間切換。機身主要由橫梁、底座兩種材料組成，采用的是Q345B鋼，Q345B的彈性模量E=211GPa，泊松比μ=0.270，密度ρ=7800kg/m3，屈服極限σ≤345MPa；連接部件，如立柱、半圓鍵采用42CRMO鋼，彈性模量E=209GPa，泊松比μ=0.269，ρ=7890kg/m3，屈服極限σ≤930MPa。劃分單元以后結點數(shù)為298474，單元數(shù)為127320。

3 邊界條件和載荷的施加

通過超壓機的特點及工況，對有限元模型進行邊界約束和施加工作載荷。邊界約束必須遵循以下原則。

（1）必須有足夠的約束，用以保證剛度矩陣非奇異性，從而得到位移的唯一解。

（2）不能夠設定多余的約束，多余的約束會使分析對象產(chǎn)生實際上不存在的約束力，從而使計算結果與實際情況差別很大。

上橫梁受力情況比較復雜，為了最大程度地接近實際工況，實際的載荷是通過油缸傳遞到橫梁的，所以通過在上油缸底部施加2000t壓力，作為上橫梁的受力載荷。下橫梁受力比較簡單，在下橫梁上表面施加一個2000t向下的均布載荷。

施加邊界約束和工作載荷后的有限元模型如圖2所示。

4 機身靜力學分析

4.1 機身靜力學分析

機身在最大工作載荷下，中截面即危險截面的最大應力在39MPa一下，滿足要求。遠遠小于屈服極限345。

由此可見機身在最大工作載荷下，橫梁中截面最下端的最大變形在1.1～1.2mm以下，滿足要求。而底座的中截面最上端的最大變形在0.5～0.7mm以下，滿足要求。

4.2 上橫梁靜力學分析

上橫梁的最大應力發(fā)生在橫梁前后兩側的焊接加強板的焊縫處，最大為87MPa，低于合金焊條的許用極限120MPa。

上橫梁的最大變形最大為0.93mm。

4.3 下橫梁靜力學分析

下橫梁的危險截面即中截面最大應力為56MPa，為了滿足變形要求（變形太大模具磨損較快），故所取的應力遠遠低于屈服極限345MPa。

下橫梁的最大變形為0.7mm。

4.4 立柱靜力學分析

立柱最大應力發(fā)生在上下與橫梁和底座接觸的位置，最大為88MPa，遠遠低于屈服極限。

立柱最大變形最大為0.6mm。立柱剛性滿足要求。

4.5 卡鍵靜力學分析

卡鍵的最大應力為49MPa，遠遠小于42CrMo的屈服強度930MPa。故半圓鍵鏈接可靠。

5 結語

綜上所述，液壓機通過流體中介進行傳動，已經(jīng)成為機械設備領域應用最為廣泛的大型設備之一，對于提升機械產(chǎn)品的性能具有不可替代的重要意義。通過有限元分析，液壓設備的傳動性能以及力學特性都得到了顯著的提升，對于促進設備的性能的提升產(chǎn)品了重要影響。

參考文獻

[1] 侯曉望.基于有限元分析的液壓機結構優(yōu)化[D].浙江大學，2005.

[2] 侯曉望，童水光.基于有限元分析的液壓機結構優(yōu)化[J].重型機械，2005（4）：46-48.