大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁受力分析及優(yōu)化

楊紅娟，張君，羅遠(yuǎn)新，陳永甲，李正利

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710032；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400030）

大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁受力分析及優(yōu)化

楊紅娟1，張君1，羅遠(yuǎn)新2，陳永甲1，李正利1

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710032；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400030）

本研究建立了大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁的有限元模型，采用該模型對(duì)大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁的受力進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，鑄造（實(shí)心）活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)形式、垂直放置工字鋼式活動(dòng)橫梁中筋板的厚度和位置、擠壓桿壓蓋孔徑的大小對(duì)活動(dòng)橫梁的受力都有很大的影響。本文基于有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了可以滿足設(shè)備功能要求的活動(dòng)橫梁。

擠壓機(jī)；活動(dòng)橫梁；有限元模擬；受力分析；大型；鋁合金

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，航空壁板、飛機(jī)大梁、高速列車車體、船用壁板等大型薄壁寬幅、高精度和復(fù)雜斷面的鋁合金型材市場(chǎng)需求量越來越大。特別是地鐵客運(yùn)車輛和飛機(jī)制造行業(yè)對(duì)大型鋁合金擠壓型材的需求量呈逐步上升趨勢(shì)[1-3]。這些大型擠壓型材必須用現(xiàn)代化的大型擠壓機(jī)來生產(chǎn)。

如圖1所示，擠壓機(jī)的活動(dòng)橫梁在主柱塞的前端，而在活動(dòng)橫梁的前端面上裝有擠壓機(jī)的主要擠壓工具——擠壓桿?；顒?dòng)橫梁的作用有兩個(gè)：一是在擠壓機(jī)主柱塞向前推進(jìn)時(shí)，平衡主柱塞外伸部分的自重；二是利用活動(dòng)橫梁下部和上部的導(dǎo)向裝置控制擠壓桿的方向。活動(dòng)橫梁中心與擠壓桿端面的接觸部分承受主缸擠壓力的作用，兩側(cè)面承受側(cè)缸擠壓力的作用，因此，活動(dòng)橫梁既受壓力的作用，又受彎矩的作用[4-6]。對(duì)于大型擠壓機(jī)，兩側(cè)缸的中心距離相對(duì)較大，因此彎矩作用更明顯。此外，大型擠壓機(jī)由于在活動(dòng)橫梁部分又設(shè)置了擠壓桿快速更換裝置，橫梁結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。對(duì)于中小型擠壓機(jī)，活動(dòng)橫梁采用焊接（空心）或鑄造（空心）結(jié)構(gòu)的居多。對(duì)于大型擠壓機(jī)，為了壓機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，疲勞壽命更長(zhǎng)，更多地采用了鑄造（實(shí)心）結(jié)構(gòu)。本文采用有限元方法對(duì)大型鋁擠壓設(shè)備的活動(dòng)橫梁進(jìn)行了受力分析，并基于此對(duì)活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了可以滿足設(shè)備功能要求的活動(dòng)橫梁。

圖1 擠壓機(jī)活動(dòng)橫梁示意圖

1 有限元模型的建立

大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁有限元模型的建立涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括幾何模型的建立、有限元模型單元的劃分、材料參數(shù)的設(shè)置、邊界條件和載荷的施加等。

本研究的活動(dòng)橫梁采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將該幾何模型導(dǎo)入專業(yè)的有限元模擬軟件ABAQUS中進(jìn)行后續(xù)的有限元模型的建立。在建立有限元模型時(shí)，根據(jù)有限元模擬計(jì)算的需要，同時(shí)在不影響計(jì)算結(jié)構(gòu)精度的前提下，簡(jiǎn)化了一些倒角、凸臺(tái)及小孔，對(duì)于不是處于主要承力部位的一些尺寸較小的螺紋孔或銷孔，也給予忽略處理[7-8]。

活動(dòng)橫梁材料為ZG35Cr1Mo，其主要力學(xué)性能參數(shù)為[9-10]：σs≥392MPa，σb≥588MPa，δ5≥12％，彈性模量2.02×105MPa，泊松比取0.3。

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，所劃分的單元形式對(duì)計(jì)算精度及計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響[11-12]。本文中活動(dòng)橫梁網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)六面體線性縮減積分單元建模，無法用六面體的地方采用的是四面體網(wǎng)格[13-14]。

本研究中的擠壓設(shè)備為120MN鋁擠壓機(jī)，主缸可產(chǎn)生109.9MN的擠壓力，兩個(gè)側(cè)缸可產(chǎn)生12.7MN的擠壓力，擠壓機(jī)總噸位為122.6MN。兩個(gè)側(cè)缸回程力為7.9MN。所以活動(dòng)橫梁中心在與擠壓軸端面的接觸部分承受主缸109.9MN的擠壓力，兩側(cè)面承受12.7MN的擠壓力。在實(shí)際工作過程中，活動(dòng)橫梁分?jǐn)D壓和回程兩個(gè)工況，只有在滿載且擠壓工況下，活動(dòng)橫梁受到的作用力最大，所以本研究只在滿載擠壓工況下模擬。

由于活動(dòng)橫梁模型結(jié)構(gòu)、受力對(duì)稱，所以取1/2模型進(jìn)行計(jì)算?；顒?dòng)橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸，如圖2所示。

圖2 活動(dòng)橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸

X方向均設(shè)為對(duì)稱約束如圖3b，在主柱塞的一端加Y、Z方向約束如圖3a，在如圖3c中所示的位置施加載荷。

圖3 動(dòng)梁邊界條件及受力加載

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

本文采用上面所建立的有限元模型對(duì)大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁進(jìn)行了計(jì)算，研究了鑄造（實(shí)心）活動(dòng)橫梁的結(jié)構(gòu)形式、垂直放置工字鋼式活動(dòng)橫梁中筋板的厚度和位置、擠壓桿壓蓋孔徑的大小等對(duì)強(qiáng)度及剛度的影響，并通過研究獲得了可以滿足設(shè)備功能要求的動(dòng)梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖4為活動(dòng)橫梁鑄造（實(shí)心）結(jié)構(gòu)時(shí)的等效應(yīng)力云圖和綜合位移云圖。由計(jì)算結(jié)果可看出，橫梁兩側(cè)緣主柱塞方向位移較大，最大值2.36mm，中心大部分區(qū)域都在2mm之內(nèi)，但局部區(qū)域主應(yīng)力最大值達(dá)135MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過應(yīng)力允許范圍，且模型整體過于結(jié)實(shí)，造成材料一定程度上的浪費(fèi)。

圖5a、b去掉了活動(dòng)橫梁兩側(cè)翼部分材料，建立了新的模型。新模型重新計(jì)算時(shí)橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓板之間的接觸、邊界條件及受力加載與圖2、圖3相同。圖5c、d為計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可看出，雖然在重量上相比原始模型減去很多，但是最大主應(yīng)力值（200.4MPa）明顯超過需用范圍，且超出很多。

圖4、圖5計(jì)算結(jié)果中，活動(dòng)橫梁中擠壓桿壓蓋圓角處主應(yīng)力都過大。圖6a將擠壓桿壓蓋孔徑由原來的1650mm變?yōu)?730mm，紅色箭頭表示孔徑1730mm。圖6b在背部應(yīng)力集中處增加了一個(gè)斜度，以期望能減小該位置應(yīng)力大小。依此新模型重新計(jì)算，計(jì)算時(shí)橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸、邊界條件及受力加載和圖2、圖3相同。圖6c、d、e、f為計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可看出，在不改變其他條件的前提下，將擠壓桿壓蓋孔徑擴(kuò)大后，壓蓋圓角處的應(yīng)力值有明顯的下降（剪應(yīng)力降低），且在增加一個(gè)過渡斜度后，背部應(yīng)力集中處應(yīng)力值有明顯下降。

為了充分利用結(jié)構(gòu)，且降低活動(dòng)橫梁質(zhì)量，圖7a、b中采用了垂直放置工字鋼式活動(dòng)橫梁模型。擠壓桿壓蓋孔徑為1730mm。依此新模型重新計(jì)算，計(jì)算時(shí)橫梁和主柱塞及Z軸正向擠壓桿壓蓋之間的接觸、邊界條件及受力加載和圖2、圖3相同。圖7c、d、e、f為計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可看出，活動(dòng)橫梁最大主應(yīng)力已降為103MPa，最大等效應(yīng)力134.5MPa。

圖4 活動(dòng)橫梁實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)的等效應(yīng)力云圖和綜合位移云圖

圖5 活動(dòng)橫梁新模型及最大主應(yīng)力云圖

圖8是在圖7基礎(chǔ)上修改模型、重新計(jì)算。如圖8a所示，這次模型總體還是垂直放置工字鋼式結(jié)構(gòu)，主要是把活動(dòng)橫梁厚度250mm的筋板位置做了調(diào)整，圖7中該筋板沿橫梁中心對(duì)稱布置，圖8中偏置75mm，即中心線以上50mm，中心線以下200mm。擠壓桿壓蓋孔徑仍為1730mm。圖8b為活動(dòng)橫梁等效應(yīng)力云圖，最大值為103.3MPa，圖8c、d、e、為活動(dòng)橫梁最大主應(yīng)力云圖，最大值為66.5MPa。圖8f活動(dòng)橫梁綜合位移圖，最大值2.57mm。該模型結(jié)果，橫梁等效應(yīng)力和主應(yīng)力都在110MPa以下，綜合位移絕大部分都在2mm以下，滿足設(shè)計(jì)要求。因此，最終的活動(dòng)橫梁設(shè)計(jì)采用了圖8所示的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上研究結(jié)果研制成功的120MN鋁擠壓機(jī)活動(dòng)橫梁如圖9所示。

圖6 擠壓桿壓蓋孔徑新模型及最大主應(yīng)力云圖

圖7 活動(dòng)橫梁新模型、最大主應(yīng)力云圖、等效應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本研究采用專業(yè)的有限元模擬軟件ABAQUS建立了大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁的有限元模型，采用該模型對(duì)大型鋁擠壓設(shè)備活動(dòng)橫梁的受力進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）垂直放置工字鋼式活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)較之于實(shí)心結(jié)構(gòu)和水平放置式結(jié)構(gòu)，不僅重量小、成本低而且受力好，是大型鋁擠壓設(shè)備鑄造（實(shí)心）活動(dòng)橫梁的首選。

（2）工字鋼式活動(dòng)橫梁結(jié)構(gòu)中筋板的厚度和位置對(duì)橫梁的受力影響很大，設(shè)計(jì)中應(yīng)該多計(jì)算、多比較，取最佳值。

（3）擠壓桿壓蓋孔徑的大小對(duì)活動(dòng)橫梁的受力影響也很大，設(shè)計(jì)中應(yīng)該多計(jì)算、多比較，取最佳值。

圖8 活動(dòng)橫梁新模型、最大主應(yīng)力云圖、等效應(yīng)力云圖及綜合位移云圖

圖9 120MN鋁擠壓機(jī)活動(dòng)橫梁實(shí)物圖

[1]Klaus Müller，Adolf Ames，Otto Diegritz，etc.Fundamentals of Extrusion Technology[M].GieselVerlagGmbh.Germany 2004.

[2]K.LAUE＆amp;H.STENGER.Extrusion.English translation of revised text[M].American society for metals，1981.

[3]魏軍.金屬擠壓機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]劉靜安，謝建新.大型鋁合金型材擠壓技術(shù)與工模具優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[5]王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[6]劉靜安.大型工業(yè)鋁合金型材的擠壓生產(chǎn)工藝與關(guān)鍵技術(shù)[J].鋁加工，2001，（2）：4-7.

[7]何柏巖，張連紅，王樹新，等。THP37-150A型液壓機(jī)主機(jī)與部件有限元分析[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，17（3）：438-444.

[8]趙汝嘉.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

[9]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[10]重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)編寫委員會(huì)，編.重型機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)[S].云南：云南科技出版社，1995.

[11]呂麗萍.有限元法及其在鍛壓工程中的應(yīng)用[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989.

[12]魏征宇.基于I-DEAS的擠壓機(jī)擠壓梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（1）：54-56.

[13]韓江，陳黨，夏鏈，等.20MN大型框架式液壓機(jī)機(jī)身有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù)，2011，36（3）：67-70.

[14]王軍領(lǐng)，詹俊勇，仲太生，等.組合式大型壓力機(jī)橫梁強(qiáng)度剛度分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（6）：08-11.

Force analysis and optim ization of moving crossbeam for large scale alum inum extrusion equipment

YANG Hongjuan1,ZHANG Jun1,LUO Yuanxin2,CHEN Yongjia1,LI Zhengli1
（1.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, China national Heavy Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710032,Shanxi China; 2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,Sichuan China）

The finite element model has been established to the moving crossbeam of large scale aluminum extrusion equipment.The force of the moving crossbeam has been analyzed by use of above model.It is found that the structure form of casting(solid)moving crossbeam and the thickness＆amp;position of stiffened plate of moving crossbeam as well as the diameter size of extrusion rod gland have grate influence to the force of moving crossbeam.The optimized design has been conducted to the structure of the moving frame on the basis of finite element calculation result.The moving crossbeam which satisfies the functional demand has been obtained.

Large scale aluminum extrusion equipment;Moving crossbeam;Force analysis;Finite element simulation

TG375+.25

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.016

1672-0121（2016）05-0054-05

2016-04-27；

2016-06-10

高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家科技重大專項(xiàng)（04專項(xiàng)）資助項(xiàng)目（2009ZX04005-031，2011ZX04016-081）；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2013KCT-10）

楊紅娟（1972-），女，高級(jí)工程師，從事擠壓機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)