鍛壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元分析*

劉 剛, 劉 暢, 金高崇, 程欣光, 孫少辰

(1.沈陽特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，遼寧 沈陽 110035; 2.沈陽黎明法拉航空動力技術(shù)工程有限公司，遼寧 沈陽 110043)

鍛壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元分析*

劉 剛1, 劉 暢2, 金高崇2, 程欣光2, 孫少辰1

(1.沈陽特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，遼寧 沈陽 110035; 2.沈陽黎明法拉航空動力技術(shù)工程有限公司，遼寧 沈陽 110043)

建立鍛壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元模型。通過設(shè)置上下預(yù)緊螺栓與承壓墊圈之間、立柱與上下梁之間以及滑塊與立柱之間的間隙，在工作壓力為60 MN，并且存在偏心的情況下，采用非對稱對陣和增廣拉格朗日算法仿真研究了鍛壓機(jī)立柱及上下梁的應(yīng)力變形情況。仿真結(jié)果說明預(yù)緊效果一直存在，其強(qiáng)度均符合要求，可保證機(jī)械的安全運(yùn)行。

鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)，有限元模型，應(yīng)力分析

0 引 言

鍛壓機(jī)是工業(yè)基礎(chǔ)裝備的重要組成部分，在航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸、冶金化工等重要工業(yè)部門都得到了廣泛應(yīng)用[1]。尤其是在當(dāng)今我國工業(yè)化進(jìn)程高速發(fā)展的時(shí)期，對大型和特大型鍛件的需求日益增高。

鍛壓機(jī)作為重型機(jī)械，其參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算及工作狀態(tài)的模擬仿真對其安全可靠性尤為重要。劉躍峰等[2]采用六面體高階單元建立了巨型模鍛壓機(jī)三維有限元模型，得到了其前六階固有頻率，并且分析了突然卸載時(shí)機(jī)架的瞬態(tài)響應(yīng)，得到了機(jī)架卸載時(shí)的變形和應(yīng)力分布。大型鍛壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使其強(qiáng)度、剛度滿足使用要求，辛宏斌等[3]利用SolidWorks軟件模擬器在工作狀態(tài)的受力狀況對上橫梁進(jìn)行應(yīng)力分析，使上橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理和安全可靠。段志東等[4]根據(jù)廣義模塊化設(shè)計(jì)原理，在ANSYS中分別建立了45 MN鍛壓機(jī)機(jī)組預(yù)緊和機(jī)架各個(gè)功能模塊的有限元模型，分別討論了空載和臨街載荷兩種狀態(tài)下機(jī)架的變形和應(yīng)力分布。鍛壓機(jī)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)機(jī)架受力與變形相當(dāng)復(fù)雜，利用常規(guī)方法分析與計(jì)算有很多局限性，王勇勤等[5]結(jié)合三維彈性接觸有限元法計(jì)算結(jié)果，提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法。

從上述各文獻(xiàn)中可看出，對于鍛壓機(jī)的研究多集中在對其應(yīng)力和變形的仿真上，而對其他部位的關(guān)注還較少。但在實(shí)際工作中，其他部位結(jié)構(gòu)(如立柱，滑塊等)也會對鍛壓機(jī)的整體運(yùn)行產(chǎn)生影響。筆者針對在最嚴(yán)重(偏載工作載荷)工況下的鍛壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)，在Workbench中建立其有限元模型，并通過設(shè)置預(yù)緊螺栓與上下梁的接觸間隙值，對鍛壓機(jī)施加預(yù)緊力，在接觸非線性動力學(xué)的基礎(chǔ)上，分析鍛壓機(jī)整體的應(yīng)力應(yīng)變。

1 整體有限元模型

1.1 整體建模與網(wǎng)格劃分

筆者采用在SolidWorks三維軟件中建立體鍛壓機(jī)的整體模型見圖1所示，然后導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中，假設(shè)工件在鍛壓過程中不發(fā)生變形，只起到傳遞力的作用，故將工件設(shè)為剛性體。

1.2 接觸設(shè)置

在Workbench中，裝配體之間的接觸形式自動默認(rèn)設(shè)置為綁定型，即認(rèn)為各部件都是一體的。動梁滑塊與立柱接觸部分有潤滑，可將摩擦忽略，不考慮立柱與上下梁的相對滑動。由于要對拉桿壓板與上梁、上下梁與立柱、動梁滑塊與立柱進(jìn)行強(qiáng)度校核，所以，把滑塊與立柱、拉桿壓板與上下梁的接觸形式設(shè)置為無摩擦的；立柱與上下梁之間的接觸形式設(shè)為粗糙的，沒有錯位移動。用非對稱對陣和增廣拉格朗日法。其他接觸部分的形式使用默認(rèn)的接觸形式。

圖1 有限元模型

1.3 載荷及邊界條件設(shè)置

動梁與上梁之間有3個(gè)活塞連接，實(shí)際工作時(shí)，上梁中的液壓缸通過活塞向動梁施加壓力。筆者由于著重分析鍛壓機(jī)的整體受力情況，故省去液壓缸部分，工作狀態(tài)則直接通過對動梁施加壓力來實(shí)現(xiàn)。將鍛壓機(jī)的底面的四個(gè)地腳螺栓處進(jìn)行全約束。

1.4 預(yù)緊模擬

在對鍛壓機(jī)整體有限元分析時(shí)，模擬預(yù)緊方式有兩種，即采用在上下梁預(yù)緊螺栓處加壓力的方式進(jìn)行預(yù)緊(以下稱為方式1)和采用通過設(shè)置侵入間隙的方式進(jìn)行預(yù)緊(以下稱為方式2，如圖2所示)。方式1是過去幾年論文里普遍出現(xiàn)的模擬加載方式，而由于方式1加載點(diǎn)位置有應(yīng)力集中，并且不能模擬拉桿受拉的情況，所以不能正確反應(yīng)拉桿的受力變形情況；方式2彌補(bǔ)了方式1的不足與缺陷，通過對上下螺栓設(shè)置侵入量來對拉桿施加預(yù)緊力。筆者在分析時(shí)采用方式2的設(shè)置方式，能夠更加真實(shí)的反應(yīng)鍛壓機(jī)實(shí)際工作的狀態(tài)。

圖2 間隙示意圖

對于鍛壓機(jī)拉桿要實(shí)現(xiàn)預(yù)緊目的，所以要設(shè)置正間隙，使拉桿受到拉力，才符合實(shí)際工作過程中拉桿的受力情況。

2 有限元分析結(jié)果

鍛壓機(jī)的材料參數(shù)如表1所列。工作時(shí)的公稱力為60 MN，3個(gè)缸同時(shí)工作。由于以往對鍛壓機(jī)的分析多集中在上梁，動梁及下梁的應(yīng)力和變形分析，而在實(shí)際工作中，立柱的變形與受力往往更影響加工工件的精度。因此以下分析主要針對立柱及拉桿的受力情況展開的。

表1 材料特性

2.1 開縫情況

開縫作為判定鍛壓機(jī)工作狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，在很多文獻(xiàn)資料中都討論過。開縫是鍛壓機(jī)在工作過程中的常見現(xiàn)象，根據(jù)不同的實(shí)際情況，判定開縫的標(biāo)準(zhǔn)也各不相同。筆者采用的標(biāo)準(zhǔn)是只要開縫不達(dá)到鍵槽處，就判定開縫符合設(shè)計(jì)要求，開縫情況如圖3所示。

圖3 梁與立柱開縫情況

可看到上，左上前側(cè)開縫長度是前側(cè)邊長的1/4，后側(cè)開縫長度為1/3；右上前側(cè)開縫長度是前側(cè)變長的1/2，后側(cè)開縫長度也為1/2，下梁與立柱未開縫，均沒有開縫到鍵槽處，故認(rèn)為開縫程度符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 立柱所受應(yīng)力情況

圖4所示為立柱所受應(yīng)力云圖，圖4(a)在立柱上的等效應(yīng)力數(shù)值最大為57.947 MPa，是由網(wǎng)格質(zhì)量造成的，而周圍的最大應(yīng)力為39 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服極限295 MPa。而由圖4(b)可知，左側(cè)立柱上的應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，只有在鍵槽附近存在拉應(yīng)力，數(shù)值很小，且范圍很小。雖然拉應(yīng)力延伸到了斜面上，但數(shù)值很小，不會對立柱造成破壞。而右側(cè)立柱為拉力，說明立柱發(fā)生傾斜，導(dǎo)致兩側(cè)立柱受力不同。

圖4 立柱所受應(yīng)力云圖

2.3 拉桿的主應(yīng)力與主應(yīng)變

拉桿的應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，只有在拉桿的兩端位置存在很小的壓應(yīng)力，說明在鍛壓機(jī)工作過程中，拉桿始終處于預(yù)緊的狀態(tài)中，這樣就能保證機(jī)器的安全使用。直徑為240 mm處的拉桿拉應(yīng)力集中在220 MPa左右，直徑為220 mm處的拉桿拉應(yīng)力在250 MPa左右，遠(yuǎn)小于拉桿的屈服極限。所以，拉桿是安全可靠的。

2.4 上下梁強(qiáng)度校核

圖5所示為上梁所受等效應(yīng)力與y向主應(yīng)力，從圖中可看到，上梁底由于部受到公稱力，而兩側(cè)被預(yù)緊螺栓限制，所以整體上拱，受壓應(yīng)力較大。而兩側(cè)由于預(yù)緊螺栓的作用而受壓力。最大等效應(yīng)力為89.569 MPa，滿足強(qiáng)度條件。

圖5 上梁所受等效應(yīng)力與y向主應(yīng)力

圖6所示為下梁所受等效應(yīng)力與y向主應(yīng)力，從圖中可看到，下梁大部分是受壓的，由于工件存在偏心，所以下梁所受壓力分布并不對稱，較大的壓力出現(xiàn)在左側(cè)，大約為71.5 MPa，而最大的等效應(yīng)力為277.5 MPa，為應(yīng)力集中造成，仍滿足強(qiáng)度要求。

圖6 下梁所受等效應(yīng)力與y向主應(yīng)力

3 結(jié) 論

以某廠設(shè)計(jì)的鍛壓機(jī)為研究對象，利用Workbench軟件建立了其整體有限元模型，并根據(jù)實(shí)際預(yù)緊情況，通過設(shè)置預(yù)緊螺栓與承壓墊圈之間的間隙來對鍛壓機(jī)進(jìn)行預(yù)緊，最后模擬了其在工作狀態(tài)時(shí)的響應(yīng)特征，得出結(jié)果。

(1) 通過分析拉桿的受力狀況，可看到拉桿在預(yù)緊時(shí)處于受拉的狀態(tài)，并且由于設(shè)置了兩端的預(yù)緊間隙，所以拉桿受力平均，不會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 立柱與上下梁的開縫均未開到鍵槽處，故認(rèn)為開縫程度滿足條件。

(3) 拉桿在工作狀態(tài)依然受拉力，說明鍛壓機(jī)整體仍然處于預(yù)緊狀態(tài)，可保證鍛壓機(jī)的安全使用。

(4) 上梁主要受拉力，而下梁主要受壓力，兩者的強(qiáng)度均滿足要求。

[1] 駱念武，申 遠(yuǎn)，竺長安，等. 基于有限元分析的液壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].液壓技術(shù), 2009, 34(1): 119-121.

[2] 劉躍峰, 馮翠云, 鄒春來. 巨型模鍛壓機(jī)機(jī)架有限元動態(tài)分析[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(2): 292-295.

[3] 辛宏斌，成先飚，董建虎，等. 基于Solidworks的大型鍛壓機(jī)上橫梁建模與應(yīng)力分析[J].重型機(jī)械, 2011(3): 62-64.

[4] 段志東，王紅鷹. 鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架三維有限元分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(4): 65-67.

[5] 王勇勤，戴文軍，嚴(yán)興春，等. 大型鍛壓機(jī)預(yù)緊力結(jié)構(gòu)的受力-變形的研究與分析[J]. 裝備, 2008(6): 29-31.

Finite Element Analysis of Integral Structure of Forging Press

LIU Gang1, LIU Chang2, JIN Gao-chong2, CHENG Xin-guang2, SUN Shao-chen1

(1.ShenyangInstituteofSpecialEquipmentInspection&Research,ShenyangLiaoning110035,China;(2.ShenyangLimingFarrarAeroPowerTechniqueEngineeringCo.,Ltd,ShenyangLiaoning110043,China)

Establishment of finite element model of the whole structure of forging press is made . By setting the gap between the up and down pretension bolt and bearing washer, column and the lower beam ， the gap between the slider and the uprights column, while the working pressure is 60MN with the eccentricity, using asymmetric against and augmented Lagrange algorithm to simulate the stress and deformation of column for forging press .The simulation results illustrate the retightening effect always exists, its strength meets the requirements and can guarantee the safe operation of machinery.

structure of forging press; finite element model; stress analysis

2014-01-23

劉 剛(1980-)，男，遼寧遼陽人，工程師，博士，主要從事特種設(shè)備型式試驗(yàn)設(shè)備研究方面的工作。

孫少辰(1983-)，男，博士，研究方向：工業(yè)介質(zhì)爆炸災(zāi)害防治理論、工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析理論與技術(shù)。

TG315

A

1007-4414(2014)02-0052-03