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                                                   基于SimSolid的快鍛壓機主機強度計算

                                                 蘭石集團能源裝備研究院數(shù)字化設(shè)計中心

1背景

    大型快鍛壓機是重工機械的主要代表，其高度可達(dá)10米，壓機的主機一般采用雙柱或四柱結(jié)構(gòu)，主要由上橫梁、活動梁、下橫梁等上百個部件組成。具有鍛造運行速度快、控制精度好、機械化程度高、生產(chǎn)能力和鍛件質(zhì)量高、操作人員少、振動小、噪音低等特點，在汽車、電子、軍工、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。JB/T12229-2015中提到，雙柱式鍛造液壓機應(yīng)采用計算機三維有限元法對其機架的應(yīng)力和變形進(jìn)行計算和分析。組合機架中的上橫梁、活動橫梁、下橫梁、立柱及整體機架中的機架和固定梁一般采用 JB/T6402規(guī)定的低合金鋼鑄件制造，并按計算應(yīng)力選擇適宜的材料和R_eL值，安全系數(shù)宜為2～2.5（小型液壓機取上限，大型液壓機取下限）。以往通過有限元計算，工作繁瑣，接觸面建立容易出錯，整個計算效率較低。Altair近年推出的無網(wǎng)格分析軟件SimSolid，對于快鍛壓機這種大型裝備體的強度分析可省去模型簡化、網(wǎng)格劃分、接觸建立等前處理步驟，其計算便捷、高效。以下采用SimSolid對我公司的快鍛壓機主機強度進(jìn)行計算分析。

2 主要技術(shù)參數(shù)及載荷

2.1 計算依據(jù)

    JB/T12229—2015 《液壓泵直接傳動雙柱斜置式自由鍛造液壓機》

2.2 模型

    某型快鍛壓機主機三維模型（SolidWorks建模）：

        壓機主機關(guān)鍵零部件所用材料如表1所示：

                                                                           表1 壓機主機關(guān)鍵零部件材料

2.3 載荷

                                                                                 表2 壓機主機受載情況

3 模型前處理

3.1 設(shè)置材料參數(shù)

    1.將三維模型導(dǎo)入SimSolid中，使用check geometry defects檢查幾何模型的特征，確保模型無缺陷。

    2.賦予部件對應(yīng)的材料，各材料參數(shù)見表3。

                                                                                  表3 關(guān)鍵部件的材料參數(shù)

        使用Automatic connections創(chuàng)建各零部件之間的接觸，容差設(shè)置為3mm，精度為高級，默認(rèn)下均為綁定狀態(tài)，根據(jù)實際情況調(diào)整接觸類型，該模型共有361對接觸，最終處理完的模型如圖2所示。3.2 接觸處理

                                                                                  圖2 模型接觸設(shè)置

3.3 添加約束載荷

    根據(jù)實際工況對模型添加約束以及載荷，如圖3所示。

                                                                                    圖3 邊界條件設(shè)置

    大型快鍛壓機預(yù)緊力一般通過超級螺母添加，此處將超級螺母外形替換為六邊形以便軟件識別，通過扭矩的形式對模型施加預(yù)緊力，經(jīng)計算螺母預(yù)緊力為318937N*M，如圖4所示。

                                                                                    圖4 預(yù)緊力施加

4 計算結(jié)果

4.1 變形

    如圖5 所示為主機上橫梁、活動梁的變形云圖。上橫梁最大變形為0.89mm，活動梁的最大變形為1.06mm，經(jīng)計算均符合設(shè)計要求。

    對主機其余部件分析計算均符合設(shè)計要求。

4.2 靜強度

    整機最大等效應(yīng)力為105Mpa位于柱塞上，等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

                                                                                 圖6 整機等效應(yīng)力云圖

主機中各關(guān)鍵零部件的等效應(yīng)力云圖如圖7所示，對主機關(guān)鍵零部件應(yīng)力分析，計算出各零部件的安全系數(shù)如表4所示。

                                                                        圖7 關(guān)鍵零部件等效應(yīng)力云圖

                                                                                表4 關(guān)鍵零部件安全系數(shù)

5 對比分析

5.1 應(yīng)力分布對比

    對比分析有限元分析與無網(wǎng)格仿真兩種方式的計算結(jié)果，下圖8為兩種計算方式下的等效應(yīng)力云圖。

                                                                              有限元法      無網(wǎng)格法

                                                                              圖8 整機等效應(yīng)力云圖

    兩種仿真方式得到的應(yīng)力分布趨勢基本一致，最大應(yīng)力所處位置一致，均在中間桿處，有限元中顯示整機的最大應(yīng)力為128Mpa，Simsolid中顯示整機的最大應(yīng)力為105MPa。

    整機以及關(guān)鍵零部件應(yīng)力分布趨勢完全一致，但數(shù)值有一定差距，其原因為設(shè)計階段對仿真結(jié)果的精確度要求不太高，在整機有限元分析中為提高計算效率，對整機網(wǎng)格劃分質(zhì)量不太高，最終結(jié)果精確度也沒有達(dá)到精細(xì)化，所以存在一定誤差。但對產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計已經(jīng)具有一定的指導(dǎo)意義，所以兩種計算方式均可用于壓機的靜力學(xué)分析。

5.2 計算效率對比

    對同一模型，用有限元法在工作站（RAM128GB，20核）計算4小時得到仿真結(jié)果；Simsolid在普通電腦（RAM20GB，4核）計算12分鐘得到仿真結(jié)果，可見Simsolid的計算效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有限元法，從前處理到結(jié)果分析兩者時間對比如圖9所示。

                                                                                     圖9 仿真分析時間對比

6 結(jié)論 

     綜上，使用SimSolid計算所得的結(jié)果滿足設(shè)計要求，同時符合公司計算要求。使用SimSolid無網(wǎng)格仿真，可以省去模型處理、網(wǎng)格劃分、接觸設(shè)置等繁瑣的前處理程序，大大提升了計算效率，降低了產(chǎn)品的設(shè)計周期，對提升工作效率有重要意義。