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自由锻造油压机组合梁有限元分析研究

发布于:2018-08-15 20:12
有限元分析

      大型锻压机作为一种重要的金属压力加工设备,其在国民经济各部门获得了广泛的应用。锻压机大都采用了三梁(上梁、下梁和动梁)四柱(四个预应力结构的拉杆压套结构)的结构型式,并且其主要结构件均由铸钢浇铸而成。下横梁通常是压机的工作平台,对大型锻压机而言由于受铸造工艺及设备条件的限制,通常其下横梁一般由几块铸件通过端面键及拉杆预紧组合而成。
      因此,在压机的设计过程中,如何做到使组合梁的强度刚度达到设计要求就成了大型锻压机设计的关键技术之一。由于各组合件自身结构比较复杂,加之它们之间采用了组合方式,因此对其进行结构强度和刚度分析就不能将其视为一个整体,从而利用经典的材料力学方法或一般意义上的静态有限元分析方法。而应该利用可变形体的三维接触有限元分析方法对其进行研究。从理论上讲,在对组合体的接触分析中如果能做到其接触面既无分离、穿透,也无相对滑移,在此情况下才可以将组合结构视为一个整体进行分析,或者说,此时的组合结构可以从理论上达到整体结构的效果,但实际中很难达到这一点。
      因此,对组合结构进行三维接触有限元强度刚度分析就显得非常重要。165MN自由锻造油压机及配套设备关键技术研究作为“十一五”国家科技支撑计划重点项目,旨在研制一台全国产化的大型锻压设备,以满足我国特大型锻件制造的急需。其下横梁采用了组合梁结构,如图所示。由图可见,组合下横梁其由四部分组成,两个中间段,两个外伸段,中间段是两个结构基本相同的主梁,外伸段作为辅梁。主辅梁之间通过上下两排预紧拉杆紧固在一起,主梁与主梁之间,以及主梁与辅梁之间采用了端面键联接结构,由此构成了一个特殊的组合梁。在设计中如何保证这一组合梁结构其强度和刚度满足要求,就成了设计工作的难点和重点。为此采用了三维接触有限元App对此组合结构进行了深入分析和研究。
      鉴于SolidEdgeApp的强大几何建模功能,采用在SolidEdgeApp中进行三维实体建模,并通过接口模块将所建的模型导入MarcApp中,由于下横梁沿其长度方向前后对称,为了减少计算时间,本文取其二分之一进行分析。边界条件需根据锻压机的不同工作状态进行确定,为了校验锻压机下横梁的强度需选择其中最恶劣的工况进行分析,即锻压机处于满载工况,上横梁三缸同时工作,每缸工作压力为5543t,此时下横梁工作面中心处承受工作压力,该压力均匀分布于面积为(1100x3600)mm的下横梁工作台面上。由于下横梁为组合梁,因此其在工作前需先通过上排五根拉杆和下排四根拉杆的预紧作用紧固在一起后方能进行锻造,此处单根拉杆的预紧力为1115t,下横梁是由两主梁和两辅梁装配组成,其彼此之间是相互接触的,为了提高计算精度,本研究使用8节点六面体单元来模拟此接触状态,并对下横梁的一些关键部分进行了细化。
      两主梁和辅梁为铸钢材料,弹性模量为E=2.0xe5MPa,泊松比u=0.3;拉杆弹性模量为E=2.0xe5MPa,泊松比u=0.3在进行三维接触有限元计算时需设置一些接触选项,主要有定义接触体和接触体对、设置接触容限和偏斜系数,指定摩擦系数等。Marc的接触分析可以定义三类接触体即可变形接触体、刚性接触体、有热传导的刚性接触体,根据实际情况在这里只将可能发生接触的单元都定义为可变形接触体,需注意的是可能发生接触的单元指的是那些单元中有一单元面为变形体接触面的单元,这样作的目的是为了减少接触判断的时间、提高计算的效率,同样的为了这一目的,在定义完可变形接触体后还需再定义接触体对,即将可能发生接触的两个变形体设置为一个接触体对,以避免不必要的接触判断。接触段上的接触容限是用于判断节点是否与接触段发生接触。


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