5000kN 雙梁式復(fù)合材料液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元仿真

秦永紅，嚴(yán)建文，，董 娜，李貴閃，劉 瓊，楊 晨，王海明

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前，復(fù)合材料的模壓工藝均采用三梁四柱結(jié)構(gòu)液壓機(jī)，不僅制作成本高、結(jié)構(gòu)冗余、總高度過(guò)高、抗偏載系統(tǒng)薄弱或未設(shè)有抗偏載系統(tǒng)，使壓制出的零件厚度不均勻。國(guó)內(nèi)雙梁結(jié)構(gòu)液壓機(jī)的研發(fā)處于新興階段，尚未涉及到活動(dòng)橫梁高度調(diào)節(jié)問(wèn)題，使壓機(jī)無(wú)法適應(yīng)復(fù)合材料模壓工藝生產(chǎn)線模具高度不同需要活動(dòng)橫梁壓制高度不同的情況。

本文根據(jù)復(fù)合材料壓制工藝特性，設(shè)計(jì)一種雙梁四柱的新型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)活動(dòng)橫梁能配合不同模具高度調(diào)節(jié)位置，具有上下兩個(gè)抗偏載系統(tǒng)。

1 雙梁液壓機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

雙梁液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 雙梁四柱液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 雙梁液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，整機(jī)主要由活動(dòng)橫梁、底梁、柵格立柱、工作缸、調(diào)平缸、柱塞推梁缸、安全鎖定裝置、導(dǎo)向系統(tǒng)、壓縮工作臺(tái)等重要部件組成[1]。機(jī)身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。其中整體框架不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料液壓機(jī)在于滿足液壓機(jī)強(qiáng)度、剛度要求的情況下，簡(jiǎn)化掉上橫梁結(jié)構(gòu)。該液壓機(jī)以立柱作為連接機(jī)架，四根立柱的頂部共同安裝有活動(dòng)橫梁，活動(dòng)橫梁與四根立柱的交匯處均設(shè)有安全鎖定裝置，底梁的中部固定連接有主油缸，底梁上位于主油缸的四周兩兩對(duì)稱固定連接有四個(gè)調(diào)平油缸。通過(guò)設(shè)置對(duì)活動(dòng)橫梁位置進(jìn)行精確鎖定和解鎖的安全鎖定裝置，在對(duì)活動(dòng)橫梁高度進(jìn)行調(diào)節(jié)前后，受控將活動(dòng)橫梁解鎖與鎖定，使得本裝置能夠適應(yīng)不同高度的模具，安全鎖定裝置柵格鎖定與雙楔形導(dǎo)向套配合精確控制活動(dòng)橫梁的平衡度與底梁上四缸調(diào)平系統(tǒng)共同組成雙抗偏載系統(tǒng)，使得壓制出的零件更為精密。工作油缸推動(dòng)模具向上移動(dòng)，與活動(dòng)橫梁上模塊合模、鎖模從而實(shí)現(xiàn)工件模壓成形。

圖1 雙梁四柱液壓機(jī)結(jié)構(gòu)模型

1.3 模型的建立與簡(jiǎn)化

雙梁四柱式液壓機(jī)各組成部件全部按照實(shí)際設(shè)計(jì)的實(shí)體模型建立。但機(jī)身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在Ansys中難以進(jìn)行分析處理，所以需要對(duì)液壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：①由于整個(gè)液壓機(jī)除了油缸與立柱，底梁、滑塊、壓縮工作臺(tái)均為鋼板焊接而成，因此分析前對(duì)鋼板進(jìn)行固連處理；②為了減小網(wǎng)格劃分的難度，提高計(jì)算時(shí)的收斂性，將一些螺栓及螺栓孔簡(jiǎn)化掉，以及立柱上的柵格簡(jiǎn)化成平面[2]為了提高計(jì)算效率、將橫梁上的夾具、模具、油缸及工件、工作臺(tái)均簡(jiǎn)化掉，根據(jù)機(jī)架的實(shí)際工況施加約束、劃分單元。簡(jiǎn)化后的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 雙梁四柱液壓機(jī)簡(jiǎn)化模型

1.4 材料的設(shè)置

機(jī)身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，橫梁均為Q235結(jié)構(gòu)鋼，立柱材料為45 鋼，滿足設(shè)備受力需求。所有結(jié)構(gòu)件焊后進(jìn)行高溫退火去應(yīng)力處理[3]。有限元分析所需的材料參數(shù)如表2 所示。

表2 雙梁液壓機(jī)的材料參數(shù)

取安全系數(shù)為1.5，則Q235 鋼的許用應(yīng)力為156MPa，45 鋼的許用應(yīng)力為223MPa。

2 滿載工況下模型結(jié)構(gòu)分析

2.1 約束的設(shè)置與載荷的施加

導(dǎo)入Workbench 的裝配體自動(dòng)生成固定接觸，然后再修改接觸類型，將底梁的上下表面與螺母以及立柱接觸設(shè)為固定接觸。本模型采用網(wǎng)格自動(dòng)劃分。液壓機(jī)的主油缸固定在機(jī)身底梁的缸孔中，液壓機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，由于主油缸內(nèi)壓作用，并通過(guò)力的傳遞使工作臺(tái)受到均勻向上的作用力。實(shí)際中，通常將壓力機(jī)的底面部分固定于地面上。所以在模擬過(guò)程中，將在機(jī)身的四個(gè)地腳螺栓孔處添加固定約束[4]。對(duì)液壓機(jī)滿載時(shí)的工況進(jìn)行分析，滿載工況下的液壓機(jī)的載荷為5000kN 此時(shí)邊界與載荷施加情況如圖3 所示。

圖3 載荷施加與邊界條件

2.2 油缸安裝孔筋板結(jié)構(gòu)

工程上油缸安裝孔有兩種常用筋板結(jié)構(gòu)排布方式如圖4a、b，對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖4 筋板兩種常用排布結(jié)構(gòu)

由圖5 可知，滿載工況下，最大應(yīng)力處在底梁上液壓缸安裝孔處，a 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為161MPa，超出了底梁結(jié)構(gòu)鋼Q235 的許用應(yīng)力156MPa；b 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為115M，在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加安全，因此選用b 作為油缸安裝孔的筋板排布方式。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)下滿載應(yīng)力對(duì)比圖

2.3 不同工況下有限元分析結(jié)果

為了明確液壓機(jī)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作情況下能否滿足工程要求，對(duì)液壓機(jī)整機(jī)進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析通過(guò)有限元計(jì)算的變形與應(yīng)力結(jié)果判斷液壓機(jī)的設(shè)計(jì)是否滿足工程要求。選擇液壓機(jī)的滿載工況進(jìn)行分析。

將在SolidWorks 建立的液壓機(jī)三維模型導(dǎo)入ANSYS 中，在Workbench 模塊下進(jìn)行靜應(yīng)力分析[4，6]得到應(yīng)力和變形分布情況。分別對(duì)在中心載荷、模具位置偏移200mm、模具傾斜10°三種不同工況下對(duì)模型強(qiáng)度和剛度校核，結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 中心載荷下機(jī)身應(yīng)力及變形云圖

圖7 模具位置偏移500mm 機(jī)身應(yīng)力及變形云圖

圖8 模具傾斜10°機(jī)身應(yīng)力及變形云圖

由圖6～8 和表3 可見(jiàn)，在中心載荷和極限偏載工況下，該機(jī)最大應(yīng)力140MPa、軸向最大變形0.77、最大應(yīng)變0.0009。軸向變形許用值[f]=（0.3～0.5）P（MN），P 為液壓機(jī)公稱力=1.5[6]。應(yīng)變范圍取±0.4[8]。可知該液壓機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均符合工程標(biāo)準(zhǔn)。

表3 各部件結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）對(duì)液壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用SolidWorks 建立雙梁液壓機(jī)結(jié)構(gòu)模型，采用ANSYS Workbench 對(duì)液壓機(jī)模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，得到了在中心載荷和兩種極限偏載工況下的機(jī)身應(yīng)力和變形云圖，獲得強(qiáng)度和剛度都滿足工程標(biāo)準(zhǔn)的新型復(fù)合材料液壓機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料液壓機(jī)輕量化。

（2）新型雙梁液壓機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)橫梁可配合模具高度調(diào)節(jié)位置的目的；解決了活動(dòng)橫梁鎖定的難題；調(diào)平缸和珊格鎖定系統(tǒng)雙抗偏載使零件壓制更加均勻。對(duì)今后液壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有參考意義。