基于有限元分析的63噸米上錘頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

李志信，張 瑞

(1.山西太重北特機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030024；2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024 )

0 引言

63噸米對(duì)擊錘是航天航空行業(yè)主要的鍛造設(shè)備之一，上錘頭由于受力環(huán)境惡劣，尤其沖擊載荷大，經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂，是生產(chǎn)廠為了維持正常生產(chǎn)必需的主要備件。上錘頭重量大，制造成本高、周期長(zhǎng)，安裝在機(jī)架內(nèi)，更換備件繁瑣，需要的停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。本文針對(duì)上錘頭出現(xiàn)的斷裂問(wèn)題,采用有限元分析法對(duì)上錘頭在沖擊過(guò)程中的應(yīng)力情況進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)錘頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。按照優(yōu)化后的錘頭設(shè)計(jì)圖紙生產(chǎn)出備件，通過(guò)實(shí)際使用證明使用壽命確實(shí)得到了提高。

1 上錘頭使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

新錘頭使用一段時(shí)間后，在錘桿根部?jī)商巿A弧部位(即錘桿與錘頭焊縫附近的圓弧位置)出現(xiàn)微裂紋，如圖1所示。

圖1 上錘頭小裂紋

造成裂紋的原因較多，主要有：鑄鋼件存在夾雜物超標(biāo)、晶粒度等級(jí)低、組織不穩(wěn)定等缺陷；焊縫可能存在根部未融合、夾雜、氣孔、焊接應(yīng)力等缺陷；機(jī)械加工可能造成錘頭表面質(zhì)量缺陷；錘鍛工作時(shí)沒(méi)有按照設(shè)備操作規(guī)范的要求對(duì)上錘頭進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)熱溫度不夠；應(yīng)力過(guò)大或應(yīng)力集中等。可能引起裂紋的原因眾多，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)裂紋的部位分析，圓弧部位應(yīng)力集中是最主要的原因之一。本文著重分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)兩處圓弧的應(yīng)力分布情況，并對(duì)改變圓弧尺寸后的模型進(jìn)行應(yīng)力分析，從而對(duì)上錘頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 上錘頭有限元分析

2.1 建立上下錘頭實(shí)體模型

UG軟件全稱(chēng)Unigaphics，是集CAD/CAM/CAE于一體的大型CAD軟件，利用UG可以準(zhǔn)確地反映零部件的形狀及配合關(guān)系，可以模擬實(shí)體模型，效果更加直觀，因此UG被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工裝制造等工作中[1]。

為分析上、下錘頭打擊過(guò)程的應(yīng)力情況，需建立上、下錘頭的實(shí)體模型。上錘頭在結(jié)構(gòu)上比下錘頭復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及斷裂的截面位置將上錘頭模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，主要簡(jiǎn)化了上錘頭兩處安裝緩沖裝置的耳孔外形以及錘桿頂端的活塞環(huán)部位，因?yàn)檫@兩處位置很少發(fā)現(xiàn)缺陷，而且距離斷裂截面也比較遠(yuǎn)，對(duì)最終計(jì)算結(jié)果的影響很小。

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，將兩件錘頭中間的模具省略掉，從而可更加直觀地分析上、下錘頭受力狀況，所以將模型直接建立成上、下錘頭工作時(shí)的對(duì)擊狀態(tài)，如圖2所示。

2.2 建立有限元模型

實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元計(jì)算的一個(gè)重要前提，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量決定了有限元計(jì)算量的大小及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，劃分網(wǎng)格時(shí)既要保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性又要考慮到計(jì)算規(guī)模不能過(guò)大，以免出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。

2.2.1 網(wǎng)格劃分

上錘頭屬于動(dòng)應(yīng)力分布，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在主要研究的斷裂位置、截面變化較大的圓角部位以及錘桿根部應(yīng)力集中部位，網(wǎng)格劃分得小一些、密一些，以保證主要分析部位計(jì)算精準(zhǔn)；而在距離斷面遠(yuǎn)的位置，將網(wǎng)格劃分得大些，采用比較均勻的網(wǎng)格形式以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，也不影響整體計(jì)算精度[2]。所以在上錘頭模型的網(wǎng)格劃分上表現(xiàn)出了疏密不同的形式。

2.2.2 網(wǎng)格類(lèi)型

本文研究的上、下錘頭在結(jié)構(gòu)上存在較大的差異，根據(jù)網(wǎng)格選用的一般原則，上錘頭的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，選用四面體單元，四面體單元大小的設(shè)定根據(jù)網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)必須小于模型最小結(jié)構(gòu)尺寸的原則，保證沒(méi)有節(jié)點(diǎn)突出連續(xù)實(shí)體模型，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)體網(wǎng)格大小的分布進(jìn)行了調(diào)整。下錘頭的網(wǎng)格劃分采用了比較疏松的大網(wǎng)格劃分，根據(jù)下錘頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇六面體單元。網(wǎng)格劃分后的上、下錘頭模型見(jiàn)圖3。

圖2 UG中建立的上、下錘頭三維實(shí)體模型圖3 上、下錘頭實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

2.2.3 材料屬性

上、下錘頭的材料均為ZG35，其材料屬性為：彈性模量202 GPa；泊松比0.3；材料密度7.81 g/cm3。

2.3 上下錘頭打擊過(guò)程邊界條件

上、下錘頭打擊過(guò)程的邊界條件設(shè)置為：X方向速度，上下錘頭的運(yùn)動(dòng)速度均為3.13 m/s。上下錘頭模型的邊界條件如圖4所示。

圖4 上下錘頭模型的邊界條件

上、下錘頭在工作過(guò)程中，只進(jìn)行上、下打擊動(dòng)作，四周有導(dǎo)軌面，用來(lái)約束上、下錘頭其他幾個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此在自由度約束方面，只給定X方向的移動(dòng)自由度，其余五個(gè)方向的自由度全部約束。

計(jì)算時(shí)間：主要研究上、下錘頭沖擊接觸時(shí)的受力情況，計(jì)算時(shí)間較短，為0.2 s。

2.4 應(yīng)力分析

圖5為上、下錘頭打擊過(guò)程的應(yīng)力分布云圖。圖5能夠清晰地反映錘桿危險(xiǎn)截面位置和應(yīng)力分布，應(yīng)力由下向上傳播，呈現(xiàn)出層狀，說(shuō)明應(yīng)力在錘桿中以波的形式傳播。由圖5可以看出：對(duì)應(yīng)兩處耳孔方向的錘桿根部R100處應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞，與實(shí)際斷裂位置相同；在沖擊的一瞬間危險(xiǎn)截面處最大應(yīng)力值可達(dá)到221 MPa，沿著錘桿向上，應(yīng)力值逐漸減小。

圖5 上、下錘頭打擊過(guò)程應(yīng)力分布云圖

對(duì)擊過(guò)程有限元仿真結(jié)果表明，上下錘頭在對(duì)擊時(shí)，在上錘頭的不同部位應(yīng)力分布差別很大，錘桿根部圓角R100處為危險(xiǎn)部位，與實(shí)際錘桿斷裂部位相一致。實(shí)體模型仿真應(yīng)力分析與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的表現(xiàn)互相得到了驗(yàn)證，也表明了分析結(jié)果的正確性，為下一步對(duì)上錘頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

3 上錘頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從以上分析可以看出，錘桿根部位置截面變化最大、應(yīng)力值最大，也是上錘頭最先出現(xiàn)裂紋的位置。因此，優(yōu)化的著手點(diǎn)就在于改善應(yīng)力集中的狀態(tài)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，截面變化緩慢可以明顯改善應(yīng)力集中，有效預(yù)防由于應(yīng)力集中原因?qū)е碌臄嗔?，常用方法為倒圓角或者倒角。

3.1 確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和使用狀況，對(duì)應(yīng)力集中部位根部圓弧尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由R100調(diào)整到R280。對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較，從而確定上錘頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。 選取R280截面作為分析實(shí)例，二維圖形中R280截面如圖6所示。

圖6 R280截面

3.2 二種不同截面的對(duì)比

相較于R100截面，R280的截面面積增加約123 mm2，重量比原來(lái)增加約3.89 kg，對(duì)整體上錘頭的影響不大；從結(jié)構(gòu)上看，取圓角R280時(shí)并沒(méi)有影響到錘桿活塞桿的行程，完全可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)改進(jìn)，二種不同的圓角對(duì)比如圖7所示。

圖7 R100與R280對(duì)比

4 對(duì)改進(jìn)后的實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力分析

4.1 改進(jìn)后的實(shí)體模型

在二維圖形中將上錘頭的R100改為R280，在三維軟件UG中自動(dòng)生成相應(yīng)的實(shí)體模型，重新劃分網(wǎng)格，包括網(wǎng)格單元、網(wǎng)格密度等參數(shù)均與R100時(shí)相同，以便直接對(duì)比。修改后的模型從外形直接觀察變化不大，整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯差異。修改后的模型邊界條件參數(shù)也與R100模型相同，在同樣的條件下進(jìn)行模型應(yīng)力分析。

4.2 計(jì)算R280模型的應(yīng)力分布情況

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上、下錘頭打擊過(guò)程的應(yīng)力分布云圖如圖8所示，上錘頭在沖擊的一瞬間危險(xiǎn)截面處最大應(yīng)力值減到了143 MPa，與改進(jìn)前應(yīng)力值221 MPa相比減小了許多，整體應(yīng)力的分布情況與原結(jié)構(gòu)基本相同，沿著錘桿向上應(yīng)力值逐漸減小。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上、下錘頭打擊過(guò)程應(yīng)力分布云圖

4.3 對(duì)比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的應(yīng)力情況

從兩種不同的實(shí)體模型應(yīng)力分析結(jié)果可以看到：上錘頭錘桿根部過(guò)度圓角為R100狀態(tài)時(shí)，上、下錘頭打擊瞬間該部位承受的最大應(yīng)力為221 MPa，最小應(yīng)力為20 MPa；將過(guò)渡圓角調(diào)整到R280時(shí)，打擊瞬間最大應(yīng)力值為143 MPa，最小為16 MPa，應(yīng)力集中得到較為明顯的改善。調(diào)整過(guò)渡圓角尺寸，上錘頭截面變化變緩，打擊瞬間應(yīng)力峰值明顯得到改善，上錘頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重點(diǎn)也在于此。

5 結(jié)論

63噸米對(duì)擊錘上下錘頭沖擊過(guò)程有限元仿真結(jié)果與上錘頭使用過(guò)程中的實(shí)際情況相符。錘桿根部圓角R100處為危險(xiǎn)截面。為延長(zhǎng)錘桿壽命，對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)循環(huán)應(yīng)力幅值與零件壽命的關(guān)系，結(jié)合有限元分析的對(duì)比結(jié)果，將上錘頭錘桿根部的過(guò)渡圓弧調(diào)整到R280，改進(jìn)效果比較明顯，在合理的制作工藝條件下，使用壽命比之前有所延長(zhǎng)，且不會(huì)增加制造成本。