基于ANSYS的大型壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)*

韋源源，劉子越，李 柱，仲太生，龔俊杰

(1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

在如今快速發(fā)展的鍛壓機(jī)械行業(yè)中，壓力機(jī)是其重要的組成部分，壓力機(jī)按照噸位分為[1-3]：①小型壓力機(jī)，公稱壓力在100 t以下；②中型壓力機(jī)，公稱壓力在100 t～300 t之間；③大型壓力機(jī)，公稱壓力大于300 t。大型壓力機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)作中，各部位的受力情況都會(huì)發(fā)生變化，為了能使大型壓力機(jī)機(jī)身在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中強(qiáng)度和剛度都在許用范圍內(nèi)，需要對(duì)壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

目前各大廠家對(duì)大型壓力機(jī)安全性的要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)大型壓力機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)也越來(lái)越重視。本文利用有限元分析軟件對(duì)某型號(hào)的大型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行分析計(jì)算，了解機(jī)身的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，在實(shí)際工作狀態(tài)下，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)身進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以降低大型壓力機(jī)的成本，實(shí)現(xiàn)輕量化的要求[4-7]。

1 壓力機(jī)機(jī)身有限元分析的前處理

1.1 壓力機(jī)機(jī)身模型的建立和接觸設(shè)置

使用SolidWorks軟件建立大型壓力機(jī)的三維模型并進(jìn)行簡(jiǎn)化，填補(bǔ)一些工藝孔、螺栓孔，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。該大型壓力機(jī)機(jī)身包括橫梁、螺栓、立柱、工作臺(tái)、底座5個(gè)部分，其三維模型如圖1所示。該壓力機(jī)橫梁、滑塊、底座及立柱的材質(zhì)為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3；螺栓和工作臺(tái)的材質(zhì)為合金鋼，其彈性模量為210 GPa,泊松比為0.29。由于壓力機(jī)機(jī)身的各部分之間都是采用焊接連接，因此各接觸面之間的接觸屬性均采用Bonded(綁定)。

1.2 壓力機(jī)機(jī)身模型的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元計(jì)算中的重要部分，網(wǎng)格的細(xì)分程度直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。理論上，網(wǎng)格劃分是越細(xì)越好，但網(wǎng)格劃分得越細(xì)，計(jì)算難度也越大，根據(jù)ANSYS Workbench中的智能劃分網(wǎng)格的方式劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示，單元大小為50 mm，總共有252 605個(gè)節(jié)點(diǎn)、858 095個(gè)單元。

圖1 大型壓力機(jī)三維模型 圖2 壓力機(jī)網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 壓力機(jī)機(jī)身模型的約束和載荷施加

根據(jù)壓力機(jī)實(shí)際工作中的情況進(jìn)行載荷和約束的施加，將壓力機(jī)與地面接觸的底部施加固定約束，限制其6個(gè)方向的自由度。壓力機(jī)在實(shí)際工作中載荷是復(fù)雜的，本次測(cè)試是研究均布載荷對(duì)壓力機(jī)的影響。壓力機(jī)工作臺(tái)加載區(qū)域面積為800×1 666.67 mm2，根據(jù)壓力機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際所承受的載荷，對(duì)壓力機(jī)施加4.074×106N的均布載荷，即均布載荷大小為0.728 8 MPa。因?yàn)閴毫C(jī)中螺栓的力也不可避免，所以要對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊，對(duì)4個(gè)螺栓所施加的預(yù)緊力分別為3.815×106N。壓力機(jī)載荷施加如圖3所示 。

2 壓力機(jī)機(jī)身有限元分析結(jié)果

2.1 壓力機(jī)機(jī)身整體應(yīng)力分布

使用ANSYS Workbench軟件對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行應(yīng)力和位移計(jì)算，得到壓力機(jī)整體應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可知：最大應(yīng)力為331.54 MPa，發(fā)生在立柱和橫梁的接觸處，該處存在局部應(yīng)力集中；忽略應(yīng)力集中的部分，最大應(yīng)力為182.59 MPa，發(fā)生在螺栓與螺母的連接處；其余部分的應(yīng)力如表1所示。由材料的屬性可知，壓力機(jī)機(jī)身整體應(yīng)力較小，符合強(qiáng)度要求。

圖3 壓力機(jī)載荷施加

圖 4 壓力機(jī)整體應(yīng)力云圖

表 1 壓力機(jī)機(jī)身其余部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.2 壓力機(jī)機(jī)身整體位移

壓力機(jī)機(jī)身的位移云圖如圖5所示，最大位移為0.606 87 mm，發(fā)生在橫梁上。壓力機(jī)橫梁上的位移較小，其他部位的位移也較小，滿足剛度要求。由于該壓力機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)保留了較大的安全余量，而最大位移也較小，因此可以對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以滿足其輕量化的要求。

圖5 壓力機(jī)整體位移云圖

3 壓力機(jī)機(jī)身計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在這臺(tái)壓力機(jī)的立柱、螺栓、工作臺(tái)上分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，貼上電阻應(yīng)變片，再在壓力機(jī)上施加相同的載荷，通過(guò)應(yīng)變儀測(cè)得壓力機(jī)上這3個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變和橫梁的位移。有限元計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表2所示。

由表2可以看出:對(duì)比測(cè)試結(jié)果，有限元分析誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明有限元分析的結(jié)果是基本正確的。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步對(duì)壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 壓力機(jī)機(jī)身整體的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，該壓力機(jī)機(jī)身的整體應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，最大位移也在材料的許用范圍之內(nèi)，且有較大的安全余量。為了使壓力機(jī)機(jī)身成本降低，滿足輕量化的要求，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模?/p>

(1) 將橫梁上頂面面板的厚度由140 mm改成120 mm，橫梁前、后面板的厚度由100 mm改為80 mm。

(2) 將壓力機(jī)4個(gè)立柱的厚度削減10 mm。

對(duì)改進(jìn)后的壓力機(jī)機(jī)身模型重新進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 有限元計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表3 優(yōu)化前、后壓力機(jī)機(jī)身有限元計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出:壓力機(jī)機(jī)身在改進(jìn)之后整體應(yīng)力和位移略微增加，但都在安全范圍之內(nèi)，符合強(qiáng)度和剛度的要求。同時(shí)，壓力機(jī)機(jī)身的質(zhì)量有所減小，成本也相應(yīng)地降低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)大型壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析，得出其應(yīng)力和位移的分布。之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性，再根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)壓力機(jī)機(jī)身提出優(yōu)化方案。根據(jù)優(yōu)化后模型的有限元分析，可以看出在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，壓力機(jī)機(jī)身的質(zhì)量大大減小，滿足了輕量化要求。