韓 鵬

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

基于有限元法的鍛造液壓機(jī)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

韓 鵬

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

為了獲取鍛壓機(jī)在工作過(guò)程中的響應(yīng)，在已經(jīng)通過(guò)不同仿真軟件配合確定鍛壓機(jī)工作載荷的前提下，利用Ansys Workbench對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到鍛壓機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中的應(yīng)力分布以及變形情況。從結(jié)果可以看出，該鍛壓機(jī)的強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。該研究對(duì)鍛壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

鍛造液壓機(jī)；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)；有限元；分析

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空、航天、船舶、風(fēng)電等行業(yè)的興起，鍛壓設(shè)備逐步向大噸位方向發(fā)展。鍛壓設(shè)備實(shí)際工作中工況非常復(fù)雜，難以有效對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。一般計(jì)算中常對(duì)某一部件進(jìn)行單獨(dú)建模[1,2,3]，或?qū)φ麢C(jī)進(jìn)行建模[3,4]，采用靜力學(xué)分析，按最大工作載荷對(duì)鍛壓機(jī)進(jìn)行校核。本文研究?jī)?nèi)容為某雙柱式鍛壓成套設(shè)備數(shù)字化樣機(jī)項(xiàng)目中的一部分，通過(guò)提取鍛壓成套設(shè)備的機(jī)電液聯(lián)合仿真、鍛件成形仿真等邊界條件，利用Ansys Workbench平臺(tái)，對(duì)鍛壓機(jī)進(jìn)行中心鐓粗工況下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到鍛壓機(jī)在工作過(guò)程中應(yīng)力、變形等響應(yīng)，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鍛壓設(shè)備設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參考。

1 工作載荷的確定

鍛造液壓機(jī)工作時(shí)主要受到拉桿預(yù)緊力、鍛件成形的反作用力和工作缸、回程缸內(nèi)液壓力的作用，載荷示意如圖1所示。

其中，拉桿預(yù)緊力根據(jù)設(shè)計(jì)值給定，均勻施加在所有的拉桿上；鍛件成形力通過(guò)軟件Simufact進(jìn)行工藝仿真得到，鍛件成形力的變化曲線如圖2所示；各液壓缸內(nèi)壓力的變化由鍛造液壓機(jī)整機(jī)的機(jī)、電、液聯(lián)合仿真結(jié)果中提取。鍛壓機(jī)聯(lián)合仿真模型，是在不同專(zhuān)業(yè)仿真軟件中分別建立產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)，并通過(guò)軟件接口，使各系統(tǒng)聯(lián)合為整體。將Simufact中得到的成形力施加在鍛造液壓機(jī)聯(lián)合仿真模型中，并設(shè)定適當(dāng)?shù)牟僮骺刂菩盘?hào)，經(jīng)過(guò)仿真即可得到相應(yīng)液壓缸內(nèi)的壓力變化曲線，如圖3所示。

圖1 鍛造液壓機(jī)工作載荷示意圖

圖2 成形力變化曲線

2 有限元模型的建立

鍛造液壓機(jī)主要由上橫梁、下橫梁、活動(dòng)橫梁、立柱、拉桿、工作缸、回程缸等主要部件組成，如圖4所示。在NX軟件中對(duì)液壓機(jī)整機(jī)進(jìn)行三維建模并經(jīng)過(guò)合理簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Ansys Workbench，設(shè)置各部件材料參數(shù)以及部件之間的裝配關(guān)系、接觸關(guān)系等。

綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算量，對(duì)鍛造液壓機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，上橫梁、活動(dòng)橫梁、下橫梁、立柱、工作缸、回程缸等采用四面體的SOLID92單元；拉桿、上墊板、工作臺(tái)等采用六面體的SOLID185單元。完成后的鍛造液壓機(jī)有限元模型如圖5所示。

圖3 液壓缸壓力變化曲線

圖4 鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 鍛壓機(jī)有限元模型

3 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

將前述全部工作載荷施加于鍛造液壓機(jī)有限元模型，并添加重力場(chǎng)。同時(shí)在液壓機(jī)地腳螺栓處施加固定約束，在兩個(gè)基礎(chǔ)梁下表面施加約束，限制下表面的豎直方向位移。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)間按任意規(guī)律變化的載荷時(shí)的響應(yīng)。本文所分析的中心鐓粗工況整個(gè)壓下過(guò)程的時(shí)間為3.85s，共設(shè)置20個(gè)載荷步，并采用完全法進(jìn)行求解。

上、下、活動(dòng)橫梁作為主要承載結(jié)構(gòu)，必須滿足剛度、強(qiáng)度要求。參考文獻(xiàn)[5]其最大容許局部等效應(yīng)力一般為160MPa，最大允許相對(duì)剛度為0.3mm/m。

在工作載荷最大時(shí)刻，上橫梁豎直方向(Y向)的位移分布如圖6a所示，其整體變形撓度為2.77mm，相對(duì)剛度為0.29mm/m；上橫梁Von-Mises等效應(yīng)力分布如圖6b所示，最大等效應(yīng)力為143.71MPa，位于上橫梁內(nèi)部的筋板處。

圖6 上橫梁3.85s時(shí)刻有限元分析結(jié)果

在工作載荷最大時(shí)刻，下橫梁豎直方向(Y向)的位移分布如圖7a所示，其整體變形撓度為1.91mm，相對(duì)剛度為0.21mm/m；下橫梁Von-Mises等效應(yīng)力分布如圖7b所示，最大等效應(yīng)力為76.96MPa，位于地腳螺栓處，下橫梁本體上最大應(yīng)力為45.65MPa。

在工作載荷最大時(shí)刻，活動(dòng)橫梁豎直方向(Y向)的位移分布如圖8a所示，其整體變形撓度為0.98mm，相對(duì)剛度為0.09mm/m。活動(dòng)橫梁von-Mises等效應(yīng)力分布如圖8b所示，最大等效應(yīng)力為62.76MPa，位于活動(dòng)橫梁內(nèi)部的筋板處。

圖7 下橫梁3.85s時(shí)刻有限元分析結(jié)果

圖8 活動(dòng)橫梁3.85s時(shí)刻有限元分析結(jié)果

0.6s時(shí)刻，立柱豎直方向(Y向)的位移分布如圖9a所示，其相對(duì)變形為-2.97mm，處于受壓狀態(tài)；3.85s時(shí)刻，立柱豎直方向(Y向)的位移分布如圖10a所示，立柱外側(cè)豎直方向(Y向)的相對(duì)變形為-1.61mm，立柱內(nèi)側(cè)豎直方向(Y向)的相對(duì)變形為-0.65mm，整體依舊處于受壓狀態(tài)。0.6s時(shí)刻，立柱Von-Mises等效應(yīng)力分布如圖9b所示，最大等效應(yīng)力為84.21MPa；3.85s時(shí)刻，立柱Von-Mises等效應(yīng)力分布如圖10b所示，最大等效應(yīng)力為67.34MPa。

圖9 活動(dòng)橫梁0.6s時(shí)刻有限元分析結(jié)果

圖10 活動(dòng)橫梁3.85s時(shí)刻有限元分析結(jié)果

圖11、12給出了鍛壓機(jī)在整個(gè)工作工程中，各主要部件的最大應(yīng)力和相對(duì)變形的變化曲線，從中可以明顯看出，上、下、活動(dòng)橫梁的應(yīng)力和變形均隨著工作載荷的增大而增大，而立柱的應(yīng)力和變形則隨著工作載荷的增大而減小，這也符合預(yù)應(yīng)力組合框架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。此外還可以從圖中看出，在整個(gè)工作過(guò)程中，鍛壓機(jī)的各主要部件均滿足強(qiáng)度、剛度的設(shè)計(jì)要求。

圖11 工作過(guò)程中各部件應(yīng)力變化曲線

圖12 工作過(guò)程中各部件相對(duì)變形變化曲線

4 結(jié)論

在獲取鍛造液壓機(jī)所有工作載荷的前提下，通過(guò)基于有限元法的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)鍛造液壓機(jī)整機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，得到主要部件的應(yīng)力分布、相對(duì)變形等分析結(jié)果，證明該機(jī)強(qiáng)度、剛度等滿足設(shè)計(jì)要求。該研究對(duì)鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

[1] 楊金利.300kN壓力機(jī)上橫梁的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23(4)：24-25.

[2] 曹文鋼，曾金越.液壓機(jī)上橫梁有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48(5)：38-40.

[3] 劉昱奎.液壓機(jī)機(jī)身有限元分析與優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2013.

[4]吳曉偉.基于有限元的框架式液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[5] 吳生富.150MN鍛造液壓機(jī)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：69-89.

Transient dynamic analysis of forging hydraulic press on the basis of FEM

HAN Peng
(Technical Center,Taiyuan Heavy Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi China)

In order to obtain the response of forging hydraulic press in the working process,on the premise of confirming the working load of forging press through different simulation software,the Ansys Workbench has been adopted to perform transient dynamics analysis.The stress distribution and deformation of the forging press in the whole working process have been obtained.It can be seen from the result that the strength and stiffness of the forging press satisfy the design requirement.The study provides important reference for the structure design of forging press.

Forging hydraulic press;Transient dynamics;Finite element

TG315.4+2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.004

1672-0121(2017)05-0014-03

2017-04-08；

2017-0-0

韓 鵬(1987-)，男，工程師，從事機(jī)械產(chǎn)品仿真技術(shù)研究。E-mail：306187598@qq.com