大型模鍛液壓機活動橫梁整體工作性能有限元分析

                  曹興強 黃明輝 湛利華 彭偉波

摘要：利用Marc有限元軟件建立活動橫梁的三維有限元模型。通過分析發現橫梁的剛度不足，致使中梁之間有兩處開縫；強度較薄弱存在兩處，分布在拉桿的圓柱孔邊和穿孔缸附近的倒角處。針對中梁之間的開縫，提出兩種修正方案：一是在中梁中間孔和穿孔主缸周邊布置一定數量的加強筋板；二是改變中梁和墊板組間的高度，調整中梁的墊板組之間的相對剛度。分析結果表明，兩種方案對中梁的剛度都有不同的改善作用，布置加強筋后，中梁中心最大位移減小24.2%，相對撓度減小30.7％，開縫距離最大減小54.5％；墊板組的高度增加30.7%，中梁中心最大位移減小33.4％，相對撓度減小50.5％，開縫距離最大減小64.9％。分析結果對于大型壓機設計具有參考價值。

關鍵詞：活動橫梁；墊板組；強度；剛度

前言

液壓機活動橫梁在工作時承擔模鍛壓力，并將其傳遞給液壓機其他承載體，由此形成壓機的封閉力體系。活動橫梁作為鍛模的安裝面，承載后的彎曲變形和擠壓變形將影響模鍛精度，同時也影響壓機受載狀態，因此活動橫梁不僅要有足夠的強度，而且要具有很好的剛度。大型模鍛液壓機活動橫梁因為既要滿足主工作缸的布局要求，同時又要滿足一定的工作臺面要求，導致其結構龐大，無法完成整體制造，通常將其剖分成幾塊，通過拉桿拉緊形成整體。傳統的計算方法主要是基于經驗設計，將橫梁簡化為材料力學范疇的簡支梁，然后按照材料力學的方法進行剛度、強度校核。這些方法設計的結構偏保守，無法對整個橫梁的強度和剛度做出預測，設計與實際相差甚遠[1，2]。有限元計算方法的出現，為結構設計提供了先進和科學的手段。程安寧將活動橫梁假設成交叉梁系，使用彈塑性有限元法對活動橫梁進行設計分析，取得了一定的效果[3]。秦東晨，祁建中等對Y322500B 四立柱液壓機的下橫梁進行結構優化設計,研究其中的一些關鍵理論和技術,包括下橫梁的結構有限元分析、優化方法選擇、敏度分析和結構重分析,得到了滿意的結果[4]。

1活動橫梁整體計算模型1.1幾何模型的建立

整個活動橫梁是在solidworks平臺下建立，通過建立各個零件的尺寸參數設計表，來建立各個零件的參數化模型，最終實現整個橫梁裝配體的參數化建模。根據不同的分析要求選擇不同的參數，組合生成所需的幾何實體。如圖1所示，兩片中梁由上下兩組左右大拉桿拉緊，兩中梁間通過楔鍵楔緊，側梁由兩前后大拉桿將其與中梁連接。

1側梁2模具墊板3中梁4前后拉桿5主缸墊板Ⅰ 6 左右大拉桿7主缸墊板Ⅱ

圖1活動橫梁結構圖

1.2有限元網格劃分

Msc. Patran是有限元前后處理器，對幾何復雜零件裝配體網格劃分十分方便。從SolidWork中以acis格式輸出活動橫梁的幾何模型，讀入patran中，使用patran中的group功能將橫梁的各個零件進行分組，然后使用四面體網格劃分器，根據各個零件的模型大小，生成單元數目適中的四面體網格。

1.3邊界條件處理

側梁主要是用于連接安裝平衡工作缸，而非承載的主體。分析中暫不考慮糾偏力，以減小計算模型，故在計算分析中省略，在與之接觸的位置增加小剛度彈簧代替糾偏力。根據結構以及工作載荷的對稱性，取橫梁主體的1/2分析，其對稱面上施加相應的位移約束。模具墊板與模座接觸部位按照相應的模壓面積施加均布載荷，分析中模壓面積取某航空典型鍛件尺寸（2700×1650mm）模壓力為800MN。在主缸墊板上球面墊作用位置，按照設計的壓力施加均布載荷。拉桿的預緊力采用多點約束模型施加預緊力

[5]。材料參數如表1所示。整個活動橫梁的零件按彈性接觸體處理。整體計算模型如圖2所示

圖2整體計算模型

表1材料參數

彈性模量 泊松比 摩擦系數

  

210GPa     0.3      0.15

   

   

  

1.4整體計算結果

整體等效應力云圖如圖3所示，由圖3可看出，整個活動橫梁的整體平均應力水平不高，在中梁內側立板處應力達到100MPa,在強度儲備上有所不足。高應力區主要集中在兩個位置：1）拉桿孔、出砂工藝邊和倒角處，中梁的局部位置存在應力集中，應力最大的地方出現在拉桿的圓柱孔，主要有兩處，一處是中梁上部介于邊緣部分和中間穿孔缸的拉桿圓柱孔，該處因為主缸布置位置的影響，使得兩處都要受到拉應力，最大應力為132.2MPa，是中梁危險地方之一。120MN 水壓機活動橫梁在拉桿圓柱孔和出砂孔處出現過裂紋[6]，下橫梁也在出砂孔處出現裂紋[7]。另一處是穿孔缸位置，最大應力為97.5MPa。中心穿孔缸處倒角最大應力為175MPa，造成應力高的原因應力集中。2）墊板接觸面上應力高，造成的原因：第一，墊板是直接的承載部件，處于高載荷區；第二，墊板摩擦力產生的剪切應力使得板間的應力也增大。

圖3等效米塞斯應力

中梁開縫應力云圖如圖4所示，中梁的接觸面上存在兩處開縫，一處是與主缸墊板接觸的橫梁上表面，最大開縫距離為0.198mm；另一處是穿孔缸靠中梁內側立板處，最大開縫0.359mm。中梁開縫的主要原因是壓機的主缸采用的五缸布局方案，中間的穿孔缸對整個橫梁的強度和剛度有較大的削弱作用，在載荷傳遞過程中模座上的模壓力，以很高的載荷集度通過墊板組傳遞到中梁，同時中梁上面的主缸布置的位置分布在中梁兩端，在穿孔缸位置容易產生開縫；在中梁周圍布置的其它四個主缸，因為主缸墊板對模壓力的發散作用有限，也容易產生開縫。圖5所示為中梁的下表面中心位移變化曲線，由圖5可見，中梁的剛度儲備不足，中梁半寬相對撓度為0.75mm/m。中梁剛度不足造成橫梁彎曲變形過大，也是導致開縫的原因。

圖4中梁開縫局部放大圖