閉式單點(diǎn)高速壓力機(jī)機(jī)身的有限元分析

揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司 江蘇揚(yáng)州 225128

機(jī)身作為高速壓力機(jī)主要的組成部件，設(shè)備上所有的零部件都安裝在機(jī)身上，它在設(shè)備運(yùn)行時(shí)承受著全部的工作變形力。因此，對(duì)高速壓力機(jī)機(jī)身合理的設(shè)計(jì)可以有效減輕壓力機(jī)承受重量，并增加壓力機(jī)機(jī)身剛度，使高速壓力機(jī)的使用壽命得到有效延長(zhǎng)。眾所周知，高速壓力機(jī)的機(jī)身幾乎占據(jù)著整個(gè)設(shè)備的比重，對(duì)于相關(guān)企業(yè)來(lái)說(shuō)，在保證機(jī)身剛度的同時(shí)，也應(yīng)重視如何降低機(jī)身的制作成本，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。此外，若按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行計(jì)算，無(wú)法深入了解機(jī)身各部位的變形情況以及受力狀態(tài)，有時(shí)雖然增加了機(jī)身重量，卻達(dá)不到機(jī)身標(biāo)準(zhǔn)剛度，從而造成材料的浪費(fèi)。因此，為了充分利用材料性能，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性，采用有限元分析法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。隨著CAD建模技術(shù)的普及，應(yīng)用限元分析現(xiàn)代高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為工程設(shè)計(jì)師首要選擇，同時(shí)也在實(shí)際應(yīng)用中取得了一定成效。

1 高速壓力機(jī)機(jī)身靜力學(xué)分析

機(jī)身的靜力學(xué)分析主要是用來(lái)計(jì)算機(jī)身在固定不變的荷載情況下設(shè)備位移、應(yīng)力以及應(yīng)變的響應(yīng)情況，即探討機(jī)身結(jié)構(gòu)受到外力作用后的變形、承載力以及應(yīng)變大小和分布，并排除慣性作用和阻尼力的影響，也不考慮時(shí)間因素對(duì)機(jī)身荷載的影響。結(jié)構(gòu)靜力分析中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與固定不變的載荷對(duì)應(yīng)，也是固定不變的，應(yīng)用Femap With Nastran軟件中的靜力分析模塊對(duì)機(jī)械設(shè)備在恒定載荷作用下對(duì)應(yīng)力和變形的分步進(jìn)行分析和求解。

1.1 有限元模型的建立和分析

首先，本文所述的機(jī)身均采用優(yōu)質(zhì)鋼板Q235-A材料進(jìn)行整體焊接。根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程樣圖，利用三維設(shè)計(jì)軟件建立機(jī)身的3D模型，同時(shí)考慮到機(jī)身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了更加合理的劃分網(wǎng)格單元，并將工程問(wèn)題中實(shí)際模型簡(jiǎn)化為可以進(jìn)行分析的物理模型。在進(jìn)行有限元分析過(guò)程中，需要按章設(shè)備功能以及機(jī)身荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后建立幾何模型，這是分析的關(guān)鍵，也是成功的理論基礎(chǔ)。本文主要用三維軟件（SolidEdge）建立機(jī)身模型，之后再將建成的模型導(dǎo)入進(jìn)有限元分析軟件（Femap With Nastran）中，從而完成對(duì)高速壓力機(jī)機(jī)身的數(shù)據(jù)分析。另外，依據(jù)圣維南原理（圣維南原理Saint Venant’s Principle是彈性力學(xué)的基礎(chǔ)性原理）得出：由于機(jī)身構(gòu)建較為復(fù)雜，為了更方便、清晰的劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行有限元分析，應(yīng)對(duì)機(jī)身模型的建立更加規(guī)范、合理，對(duì)于那些幾乎不會(huì)影響到機(jī)身剛度和強(qiáng)度的零部件，例如銷(xiāo)孔、螺孔、圓角等給予簡(jiǎn)化。

1.2 有限單元網(wǎng)格的劃分

采取3D網(wǎng)格劃分方式。在有限元分析軟件中，對(duì)于3D網(wǎng)格劃分主要分為自動(dòng)網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格以及六面體網(wǎng)格劃分三種形式。其中四面體網(wǎng)格可以應(yīng)用于任何幾何體，劃分簡(jiǎn)單且自動(dòng)生成速度較快，在關(guān)鍵區(qū)域能使近似尺度功能以及曲度自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，并實(shí)現(xiàn)邊界層識(shí)別，這種劃分方式有助于面法向網(wǎng)格的細(xì)化，因此本文主要選取四面體網(wǎng)格劃分方式對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行細(xì)分。雖然網(wǎng)格分布的疏密程度很大程度上影響著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，但并不是越細(xì)分網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果就越精確。過(guò)于細(xì)分時(shí)，不僅對(duì)模型分析和計(jì)算的數(shù)據(jù)精確度沒(méi)有幫助，反而還會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，占用更大的內(nèi)存空間，從而降低計(jì)算效率。本文采取的有限元分析軟件對(duì)機(jī)身模型的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：共有90580個(gè)節(jié)點(diǎn)以及47841個(gè)單元，劃分的質(zhì)量和數(shù)量均符合標(biāo)準(zhǔn)需求[1]。

1.3 對(duì)邊界調(diào)節(jié)以及施加載荷的確定分析

閉式單點(diǎn)高速壓力機(jī)的機(jī)身主要通過(guò)地腳螺栓與地基相連，另外在安裝固定過(guò)程中設(shè)置有效的防扭措施，以此將機(jī)身與地面接觸的節(jié)點(diǎn)安排為6個(gè)自由度是最標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置。

機(jī)身在運(yùn)行時(shí)，一般承受著來(lái)自?xún)蓚€(gè)方向相反、大小相等的載荷力。本文分析的閉式單點(diǎn)高速壓力機(jī)的載荷力為2000KN，在分析機(jī)身的應(yīng)力和變形時(shí)，依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，取2200kN為公稱(chēng)力。另外，由于機(jī)身具有較大的重量，在分析靜力學(xué)時(shí)也要將自身的重量考慮進(jìn)去，因此需要給機(jī)身施加一個(gè)向下的重力載荷。

1.4 分析結(jié)果

在三維設(shè)計(jì)軟件以及有限元分析軟件中，對(duì)高速壓力機(jī)機(jī)身3D分析模型進(jìn)行計(jì)算求解，并設(shè)定靜力學(xué)分析目標(biāo)。運(yùn)行計(jì)算后得出高速壓力機(jī)機(jī)身等效應(yīng)力云圖。分析機(jī)身等效應(yīng)力圖可得出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)身傳動(dòng)曲軸前后支撐控的上半部受力區(qū)域及側(cè)窗口圓角位置，具體數(shù)值為61.448MPa。此外，機(jī)身的屈服強(qiáng)度為235MPa，應(yīng)力為125MPa，安全系數(shù)為S=3.83，因此，該機(jī)身在承受荷載是，其所受的最大應(yīng)力等均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，并且整個(gè)機(jī)身受力以及變形較為均勻，所以此機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均合理[2]。

2 高速壓力機(jī)機(jī)身模型分析

隨著機(jī)身運(yùn)行次數(shù)的增加，作為最重要的設(shè)備載體，機(jī)身很容易產(chǎn)生震動(dòng)和噪音。在對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，必須將以上因素考慮進(jìn)行，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，從而確保機(jī)身的抗振性能。為了進(jìn)一步達(dá)到機(jī)身降噪、減振效果，在對(duì)機(jī)身進(jìn)行有限元分析過(guò)程中，應(yīng)提出以下模型分析評(píng)價(jià)指標(biāo)：①模型頻率需要錯(cuò)開(kāi)設(shè)備經(jīng)常工作的頻率；②機(jī)身的低階固有頻率要避開(kāi)高速壓力機(jī)工作頻率。機(jī)身的固有頻率和振型是在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)中重要數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，對(duì)高速壓力機(jī)的機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，必須得到與固有頻率相對(duì)應(yīng)的模態(tài)珍惜，然后依據(jù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使機(jī)身模態(tài)頻率滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而降低機(jī)身共振。

本文通過(guò)對(duì)閉式單點(diǎn)高速壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析，得出了以下結(jié)論：應(yīng)用有限元分析軟件能精準(zhǔn)的計(jì)算出機(jī)身在不同位置下應(yīng)變以及應(yīng)力的分布情況，并依據(jù)其在公稱(chēng)荷載作用下的分析結(jié)果，可確定高速壓力機(jī)機(jī)身的應(yīng)力、結(jié)構(gòu)分布以及應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)均在合理范圍內(nèi)。

綜上所述，應(yīng)用有限元分析法不僅能提高高速壓力機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，還能有效縮短工程師的設(shè)計(jì)周期，并降低設(shè)計(jì)成本以及能源消耗，從而有效提高設(shè)備整體技術(shù)性能。