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壓力機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度

發(fā)布時(shí)間:2014-03-21 00:08:19　作者: 信息來源:

引言

　　鍛壓設(shè)備是制造業(yè)領(lǐng)域一類重要的加工裝備，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、工程機(jī)械和石油化工等行業(yè)[12].有數(shù)據(jù)表明，在全球范圍主要生產(chǎn)機(jī)床的企業(yè)中，鍛壓設(shè)備的產(chǎn)值占各類機(jī)床產(chǎn)值的30%左右，并且一個(gè)國家鍛壓機(jī)械行業(yè)的好壞也間接表明該國制造業(yè)的發(fā)展水平.[3]

　　目前，我國制造業(yè)整體穩(wěn)步發(fā)展，逐漸向前，帶動(dòng)鍛壓機(jī)械的快速發(fā)展，但我國還不是鍛壓強(qiáng)國.加快鍛壓機(jī)械行業(yè)發(fā)展，順應(yīng)市場需求，同時(shí)對加快我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)以工業(yè)、國防和航空航天為代表行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高綜合國力具有重要意義.[4]

　　壓力機(jī)機(jī)身強(qiáng)度和剛度的大小對壓力機(jī)性能影響很大，理論計(jì)算時(shí)僅單獨(dú)校核機(jī)身每個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度，并且往往只選取一些潛在危險(xiǎn)的截面進(jìn)行校核.[5]為彌補(bǔ)理論計(jì)算的不足，采用Abaqus有限元分析軟件對壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行整體有限元靜力學(xué)分析，求解機(jī)身最大工作載荷時(shí)強(qiáng)度和剛度大小，得到壓力機(jī)機(jī)身整體應(yīng)力分布，找出應(yīng)力最大位置，為壓力機(jī)進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.

　　1壓力機(jī)機(jī)身建模

　　1.1壓力機(jī)機(jī)身三維實(shí)體建模

　　采用Pro/ENGINEER 4.0建立機(jī)身的幾何模型，在建模過程中，考慮到下一步有限元分析的需要，忽略模型中的倒角以及小的螺紋孔等對整體力學(xué)分析影響較小的幾何細(xì)節(jié)，建立機(jī)身的幾何模型，見圖1.圖 1導(dǎo)入前機(jī)身的幾何模型

　　1.2有限元模型建立

　　機(jī)身的橫梁、立柱和底座材料為灰鑄鐵HT200，墊板為球墨鑄鐵QT5007.[6]機(jī)身材料屬性見表1.將HT200賦到橫梁、立柱和底座，QT5007賦到墊板，材料屬性設(shè)置完成.

　　表 1機(jī)身材料的參數(shù)材料密度/（kg/m3）彈性模量/Pa泊松比HT2007.2×1030.9×10110.27QT50076.9×1031.2×10110.29

　　對于各部件之間的接觸關(guān)系，如機(jī)身的橫梁與立柱、立柱與工作臺以及墊板與工作臺等通過螺栓或螺釘固定的，有5個(gè)接觸對.正常工作下，面與面不脫離，也不滑移，所以用綁定處理，5個(gè)接觸對均選擇為tie.

　　Abaqus中處理接觸關(guān)系的算法有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、增廣拉格朗日法和MPC多點(diǎn)約束算法等.其中，MPC多點(diǎn)約束算法通過約束方程在接觸面上保證協(xié)調(diào)，可以解決不協(xié)調(diào)網(wǎng)格之間的連接問題，因此，機(jī)身零件接觸關(guān)系采用MPC算法的tie類型.[7]

　　機(jī)身是一個(gè)裝配體，橫梁與立柱、立柱與工作臺的作用通過面接觸關(guān)系傳遞，且橫梁、立柱和工作臺均屬于壁厚較大的箱體結(jié)構(gòu)，劃分為10節(jié)點(diǎn)四面體單元C3D10網(wǎng)格，橫梁的芯軸孔是關(guān)鍵的受力部位，對孔的表面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.[8]

　　同一幾何體六面體劃分方法比四面體劃分方法網(wǎng)格單元少，節(jié)點(diǎn)數(shù)少一半.墊板具備規(guī)則的形狀，劃分為20節(jié)點(diǎn)的六面體單元C3D20網(wǎng)格.

　　設(shè)定各零件的網(wǎng)格單元尺寸，劃分網(wǎng)格，建立有限元模型，網(wǎng)格劃分結(jié)果見表2，機(jī)身有限元模型見圖2.表 2網(wǎng)格劃分結(jié)果零件單元數(shù)/個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)/個(gè)基本單元尺寸/mm橫梁160 615276 13060左右立柱17 69134 36380工作臺19 80735 29170墊板31 43651 34360注：橫梁芯軸孔處細(xì)化的單元尺寸為30 mm.

　　圖 2機(jī)身有限元模型

　　機(jī)身網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞對機(jī)身分析結(jié)果影響較大.對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，單元畸變度是用來檢查網(wǎng)格單元質(zhì)量的度量，其大小在0～1之間.機(jī)身網(wǎng)格的單元平均畸變度為0.27，參照單元畸變度與單元質(zhì)量的關(guān)系（見表3），可知此次單元?jiǎng)澐仲|(zhì)量很好，有限元模型成功建立.

　　表 3單元畸變度與網(wǎng)格質(zhì)量關(guān)系單元畸變度單元質(zhì)量0～0.25優(yōu)秀0.25～0.50很好0.50～0.80好0.80～0.95可接受0.95～0.98差0.98～1.00不可接受

　　1.3施加約束和載荷

　　給機(jī)身工作臺與地基接觸的面施加約束，約束自由度為6個(gè)；給4個(gè)地腳螺栓孔施加約束，約束孔的法向自由度.壓力機(jī)滑塊到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)達(dá)到承受最大載荷的狀態(tài)，給芯軸孔施加豎直向上的軸承載荷，大小為4 000 kN；給墊板上表面施加垂直向下的載荷，大小為4 000 kN；施加重力加速度大小為9 806.6 mm/s2.

　　機(jī)身為組合件，通過拉緊螺栓的預(yù)緊力拉緊，因此要施加預(yù)緊力.Abaqus中高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力的施加主要通過直接加載法、螺栓載荷法和預(yù)應(yīng)力場法等實(shí)現(xiàn).[9]為簡化計(jì)算，采用等效力法，即在機(jī)身與拉緊螺栓4對接觸面施加4對預(yù)緊力，預(yù)緊因數(shù)為1.5，每對大小為

　　F=1.5Fg=1.5×4 000 kN=6 000 kN

　　機(jī)身的電機(jī)質(zhì)量、傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量等載荷予以忽略.至此，所有載荷和約束施加完成.

　　2機(jī)身有限元靜力學(xué)分析

　　由圖3可知，應(yīng)力主要集中在芯軸孔上部、橫梁靠近拉緊螺栓處、底座靠近拉緊螺栓處和工作臺墊板中心等.芯軸孔的上部最大應(yīng)力達(dá)到28.547 MPa，受力形式為壓應(yīng)力.橫梁拉緊螺栓處與螺母接觸面的最大壓應(yīng)力超過20 MPa，橫梁中間截面最上端受到的拉應(yīng)力與最下端受到的壓應(yīng)力為5.194 9～7.789 6 MPa，均未超過橫梁的許用拉應(yīng)力40 MPa與許用壓應(yīng)力60 MPa.橫梁靠近拉緊螺栓處的應(yīng)力為10.384～12.979 MPa，小于許用剪應(yīng)力.立柱的后部出現(xiàn)最大壓應(yīng)力約為10 MPa，小于許用壓應(yīng)力60 MPa.工作臺靠近支座的地方出現(xiàn)的最大應(yīng)力為剪應(yīng)力，大小為15～18 MPa，小于許用剪應(yīng)力30 MPa.機(jī)身的變形云圖見圖4，可知，機(jī)身最大變形發(fā)生在橫梁后部上端0.282 66 mm處.工作臺的撓度約為0.125 mm，墊板中心變形約為0.165 mm.

　　圖 4機(jī)身的變形云圖

　　由上述計(jì)算可知，墊板的撓度約為0.040 mm，立柱的最大變形量約為0.165 mm，橫梁的最大變形為0.282 66 mm，則橫梁的撓度為0.282 66-0.165=0.117 66 mm，本文取0.118 mm.

　　3結(jié)論

　�。�1）結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度滿足許用條件，橫梁芯軸孔處出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，橫梁與工作臺靠近拉緊螺栓處會(huì)出現(xiàn)較大剪應(yīng)力.

　�。�2）壓力機(jī)機(jī)身整體剛度滿足許用條件，機(jī)身最大變形發(fā)生在橫梁后部上端.

　�。�3）將Pro/ENGINEER與Abaqus結(jié)合使用，對壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行三維實(shí)體建模和有限元建模，使工作量大為減少.對壓力機(jī)機(jī)身模型進(jìn)行有效網(wǎng)格劃分和約束，使有限元分析取得良好效果.

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