重慶江東機械有限責任公司 吳秀英 楊 芳
YJK14-5000自由鍛造液壓機整機有限元分析
重慶江東機械有限責任公司 吳秀英 楊 芳
【摘要】自由鍛造液壓機適用于金屬材料自由鍛造的各種工藝,主要用來將鋼坯拔長、 墩粗、沖孔、馬杠擴孔、錯移、粗轉、切割、彎曲等。其較好的剛性、強度、抗偏載能力和靈活的輔助搭配方式使其在鍛壓行業(yè)中得到廣泛的應用。本文通過對YJK14-5000壓機的有限元分析,旨在了解在滿載荷時,整機應力應變分布、變形位移分布(包括偏載)。從而對液壓機的結構設計給出指導性建議。
【關鍵詞】自由鍛造壓機;有限元分析
1.1 分析類型
滿載荷時,整機及部件應力應變分布、變形位移分布(包括偏載)。
1.2 計算模型簡化規(guī)則
按照實際工況最優(yōu)簡化(滿載何時最佳受力狀態(tài)簡化模型),即:對分析計算無關或影響較小的部分采用簡化或省略處理。
1.3 視頻輸出
1)應力變化過程(強度,初步判斷載荷工況);
2)位移變化過程(檢驗載荷工況與位移變化是否相符);
3)振動模態(tài)過程。
三維模型簡化中,去掉了對分析影響較小的起吊孔、螺釘孔、定位鍵槽、密封件、距離受載荷區(qū)較遠處的輔助部分,但受載較大或強預緊螺釘、承力鍵等必須保留。整機建模圖形如圖1所示。
圖1 整機簡化模型
各零部件嚴格按照設計尺寸建模,但繪制有分析時所需的參考邊、線、面等;整機裝配時,有螺釘連接的部件,省略掉螺釘,采用面與面剛性連接。運動部件按照真實工況運動自由度約束。
3.1 材料屬性
1)ZG270—500:上橫梁、活動橫梁、下橫梁、工作臺、上砧和立柱。室溫下的力學性能屈服強度270MPa,抗拉強度500MPa。彈性模量:202Gpa;泊松比:0.3;
2)30CrNiMo8V:拉桿。屈服強度835MPa,抗拉強度980MPa。彈性模量:206 Gpa;泊松比:0.25—0.3;
3)20MnMo:液壓缸。抗拉強度470MPa,屈服強度275MPa。彈性模量206 GPa;泊松比0.3;
4)42CrMo4:柱塞桿??估瓘姸圈襜(MPa):≥1080(110);屈服強度σs(MPa):≥930(95),許用應力186~310/MPa,屈服930σs/MPa,42CrMo4強度、淬透性高,韌性好,淬火時變形小,高溫時有高的蠕變強度和持久度。彈性模量:210Gpa,泊松比:0.3;
5)45鋼:工件。彈性模量:196-210 Gpa,泊松比:0.269,密度7850Kg/m3;
6)18MnMo:立柱。彈性模量206 GPa;泊松比0.3;
7)Q235-A:地基底座。彈性模量210GPa;泊松比0.3。
在計算瞬時模態(tài)動態(tài)分析時,將所有材料的阻尼的質量矩陣系數(shù)設為3,阻尼的剛度矩陣系數(shù)設為0。
3.2 接觸屬性
1)第一類接觸
面與面直接接觸、如:螺釘連接的兩個幾何面接觸(螺釘不受剪切力)、施加預應力的幾何面接觸等。在該分析中,此類接觸的兩幾何面受正應力,在受載時幾何面無分離,分析中都簡化為硬接觸。
2)第二類接觸
兩幾何面之間主要受剪切作用的影響,如:螺釘連接(受剪),有限滑動、材料流動等。在該分析中,當偏載時,滑塊導軌板與調整塊接觸副之間沿行程方向位移較小,且受垂直與行程方向載荷,分析中將摩擦系數(shù)設為0;在所有的接觸副中(除油缸、導軌板等受剪情況外),只要在整個工況中兩接觸面沒有分離,分析中將兩接觸副作有限綁定。
3)在對工作臺推力油缸做動態(tài)分析時,考慮了工作臺對墊板的摩擦系數(shù)(庫倫摩擦),摩擦系數(shù)μ=0.15(鋼對鑄鐵)。
3.3 分析步驟
該模型機體體積大、結構復雜、各部分受載差距較大且為重載。為提高分析精度,采用三個分析步計算:第一分析步:建立起初始接觸;第二分析步:加載運算(建立預緊力);第三分析步:持續(xù)加載運算(預緊力隨載荷自動調整)。
在做模態(tài)分析時,特征值階數(shù)為20階。
3.4 邊界條件
實際安裝固定處,全約束(與地基鋼板連接處);運動部件及運動副之間遵循實際工況施加約束。
1)載荷計算
公稱載荷N(KN),壓力P(MPa),中主缸N1,P1,側主缸N2,P2,總載荷N。
當載荷為5000t時,計算如下:
N= N1+2N2=17000+17000X2=51000KN; P1=19.25 MPa,P2=19.25 MPa
當載荷為8000t時,計算如下:
N= N1+2N2=26650+26650X2=79950KN; P1=30.80 MPa,P2=30.80 MPa
2)預緊載荷(液壓預緊螺母載荷)
立柱拉桿,預緊系數(shù)2,每一個拉桿預緊時,液壓螺母加載為40000kN;下拉桿,每一根拉桿液壓螺母預緊力為12000 kN;上拉桿,每一根拉桿液壓螺母預緊力為3800 kN。
為提高計算精度和加快迭代收斂速度,計算時分兩步加載:初始載荷中主缸和側主缸均為0.1MPa,待壓力建立起后,逐步升至滿載和,模型中的接觸類型為第一類和第二類接觸。
3.5 網(wǎng)格
該模型結構較復雜,需分部分劃分網(wǎng)格,受載小且遠離關鍵區(qū)域采用線性的粗糙網(wǎng)格,即:C3D4H型網(wǎng)格;應力集中區(qū)域和重載及關鍵區(qū)域以節(jié)點應力作為分析指標應采用六面體二次減縮積分單元(C3D20R)或六面體完全積分單元(C3D20)。
此次分析中,整個模型的網(wǎng)格沒有大的扭曲,使用非協(xié)調單元(C8D8I),可用較小的計算代價得到較高的精度,為了減小‘體積自鎖’趨勢和‘沙漏’現(xiàn)象,接觸區(qū)域采用細化的六面體一次網(wǎng)格,即:C3D8IH型網(wǎng)格。
3.6 求解器及運算類型
1)standard static,General,通用靜應力分析;
圖2 整機模態(tài)云紋圖
圖3 整機瞬時模態(tài)動態(tài)計算
圖4 整機應力分布云紋圖
圖5 整機位移云紋圖
2)工作臺推力油缸采用standard static,General,非線性分析;
3)靜模態(tài)分析采用linear perturbation,F(xiàn)requency;
4)瞬時模態(tài)動態(tài)分析時,在靜模態(tài)后插入動態(tài)響應分析步:modal dynamics。
3.7 后處理(油缸分析不輸出)
4.1 整機模態(tài)計算與驗證,如圖2所示。
根據(jù)計算,整機圓頻率為20.8Hz,最大振幅為1.2mm。
4.2 整機瞬時模態(tài)動態(tài)計算與驗證,如圖3所示。
根據(jù)計算,整機圓頻率為24Hz,最大振幅為1.3mm。
4.3 整機應力分析云紋圖
當載荷為50000kN時,應力及位移分布,如圖4、圖5所示。
根據(jù)計算,整機豎直方向上最大位移為:2.4mm。
本文只討論了機架的有限元分析,根據(jù)計算結果,YJK14-5000自由鍛造液壓機,結構基本合理,整體性能滿足設計要求。采用這種設計方法,對本機的其它部件進行有限元分析,發(fā)現(xiàn)仍有許多地方需要改進和優(yōu)化(減重和尺寸優(yōu)化),為降低成本和改善生產提供了有效的理論依據(jù)和基礎數(shù)據(jù)。
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