基于有限元的单柱开式液压机机身结构的应力应变分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 0 0 4 0 0 2 5 0 3 基 于 有 限 元 的 单 柱 开 式 液 压 机 机 身 结 构 的 应 力 应 变 分 析 张 元 越 徐州 工程 学 院 ， 江 苏 徐 州 2 21 0 0 8 摘要 本 文使 用 ANS YS软件 对 6 3 0 0 k N单 柱开 式 液压 机 的结构 进 行 了分 析设 计 。首 先采 用经 验设 计 方 法对机 身结构 进 行 了强度 、 刚度 计算 ， 然 后采 用有 限元 软件 ANS YS对 计 算模 型进 行 网格 化处 理 ， 分析 了其应 力 场 、 应变场 及最 大 主应力 场 。 关键词 机械 制造 ； 结构 设计 ； 液 压机 ； 有 限元 中 图分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文献标 识 码 B 。 1引 言 液压机 是利 用液 压传 动技 术进 行压 力 加工 的设 备 ， 是 制 品成形 生产 中应 用最 广 的设备 之一 。 与其他 压力机 相 比 ，它具有 压力 和速 度 可在大 范 围 内无级 调 整 、 可在任 意位 置输 出全部 功率 和保持 所 需压 力 、 结 构布 置灵 活 、各执 行机 构可 很方 便地 达 到所 希望 的动作 配合 等优 点 。 因此 ， 液 压机 在我 国国 民经 济 的 各 行各 业 ，尤其 是塑 性加 工领 域得 到 了 日益广 泛 的 应 用 。 液 压 机 设 计 理 论 和 方 法 的 发 展 主 要 经 历 了经 验 设 计 、 数 值计 算 、 优 化设 计 几个 阶段 。经 验设 计 阶段 主要利用 材料 力学 简 化方法 计算 主要 部 件 的强度 和 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 9 作者简介 张元越 1 9 6 6 一 ， 男， 硕士， 从事现代设计理论研究及液压 传动设计 - 一 - 一 - - - 一 - - - 一 一 ” 一 - 一 - 刚度 ， 把 机架 简化 为材 料力 学范 畴 的平 面钢架 ， 把 横 梁 简化 为材料 力学 范 畴 的简支 梁 ，然 后 按照 材料 力 学 的方法 进行 强度 、 刚度校 核 。 尽 管确认 的结 构大 多 数被 实践 证 明是安 全 的 ， 但存 在设 计周 期 长 、 结 构 冗 余 、 材料 使 用 偏保 守 等 弊 端 ， 致 使 产 品重 量 大 ， 成本 高 、 效益 低 ， 削弱 了产 品竞 争 力 ， 而且 缺 乏对 设 计 结 果合 理性 的验 证 ， 计 算结 果 常常 与实测 值 相去 甚远 。 数 值计 算 阶段 ，设计 者 把整 个机 架或单 个 的横 梁作 为研究 对象 ， 将 它们 视 为空 间板梁 组合 结构 ， 利 用精 度 较 高的有 限元 法进 行 整体结 构 分析 ，分 析结 果 的 准 确性 和可 靠性 大 大提 高 。 2经 验 设 计 2 ． 1经验 计算 模 型 型 号 为 Y4 1 6 3 0的机 器 主 要技 术 参数 公 称 压 力 6 3 0 0 k N， 水 平 缸 压 力 3 0 0 0 k N， 工 作 台 尺 寸 Dy n a mi c An a l y s i s o f t h e F r a me o f 2 0 MN Qu i c k F o r g i n g Hy d r a u l i c P r e s s HAN Yuk u n ，W ANG Li x i n ，LI U Ho n g x i a n ，LI J u n mi n 1 ． An y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， An y a n g 4 5 5 0 0 0 ， He n a n C h i n a ； 2 ． An y a n g F o r g i n g P r e s s Ma c h i n e r y I n d u s t ry Co ． ， L t d ． ， An y a n g 4 5 5 0 0 0， He n a n C h i n a A b s t r ac t Ba s e d o n t h e t r a n s wo r k p i e c e s， by us e o f L S-DYNA pr s t r a i n a n d s t r e s s wh e n t h e hy d r a u l i c 1 i s d i s c o v e r e d t h a t b y t a k i n g t he s t r i ki t h e s t r a i n a n d d e f o r mat i o n o n t he h r e q ui r e me n t o f t h e m a t e r i a l s t r e ng t h f o r g i ng h y d r a ul i c p r e s s ． Ke y wo r d s F r a me ；Qu i c k f o 1 6 0 0 minx 1 4 0 0 ram， 最 大 开 口高 度 8 0 0 mm， 滑 块 速 度 8 ram-1 0 0 mm／ s 。该 液 压机 为单 柱 开式 结 构 ， 结 构 简 单 ， 操作 方便 ， 适 用 于压制 、 镦 粗 、 压 装校 正 、 折 弯 、 冲 压 等工艺 。 机身结 构见 图 1 。 依 此建立 经验设 计力学 模 型 ， 如 图 2所 示 。 图 l 2 ． 2强 度 设 计 l l 面 I l 4 o o Y 4 1 6 3 0液压机机身结构 图 将 设 计 的机 身 上 、 下 梁 和 支柱 简 化 为计 算 截 面 ， 计 算 各 截 面 特 性 数 据 和 形 心 位置 表 1 。 上梁 弯曲应力 50． 8M Pa x ． x 亩 亩 ld x 1 7 2 0 篑 2 每 K 3, K 4 式 中 公 称 压力 ， P 6 0 0 0 k N； 卜弹性模量 ， E 2 ． 1 X1 0 5 MP a ； 8 一主缸 中心线 至支柱形 心距离 ， B I ．0 3 m； K， 支柱 与上梁 的惯 性矩 的比值 ， K， l ．， 1 ． 39； ， 一支柱 与下梁 的惯 性矩 的 比值 ， K J 3 ／ J 2 1 ． 82。 计 算结 果 一2 。显 然 ， 刚度完 全满足 要求 。 3有限元 分析计 算 有 限元 法是一 种数值 近似 解法 ，从数 学 的观点 看 ， 有 限元法 的基 础是 变分原 理和剖 分插 值 ， 它 是把 复杂 结构 离 散 为容 易分 析 的 简单 的有 限个单 元 ， 这 些单元 通过 有限个 节点 相互连 接 ，然 后根 据变 形协 调条件 进行综 合求解 。 3 ． 1 有 限元 网格 模型 依 据在 ANS YS中建立 的 C AD模 型 图 3 ， 用 分 析 类 型 定 义 命 令 “ AN T YP E， S T AT I C” 定 义 分 析 类 型为 静 力 分 析 。用 单 元 类 型 定 义 命 令 “ E T， 1 ， S o l i d 9 5 ”定 义 第 一 类 单 元 是 3 D 固体 2 0节 点 实 体 单 元 S o l i d 9 5进 行 网格划 分闱。 输 ～ 人 材 料 特 性 参 数 ，“ MP， EX， 1 ， 2 0 7 E 3 ” 定 义 材 料 的 弹 性 模 量 为2 0 7 GP a， 用 图 3 机身的有限元网格模型“ MP ，NU XY， 1 ， 0 ． 3 ’ ’ 定 义 材 料 的 泊 松 比 NUXY 0 ． 3 。 用 ／ s o l u进 人 求 解 模 块 ， 用 ／ P O S T1进入 后处 理模块 ， 结果 如 图 4 ～图 6所 示 。 3 ． 2有 限 元 分 析 结 果 3 ． 2 ． 1 垂直位 移场分 布 图 4 计算 结果 表 明 ， 钢 板 内最 大 竖 向位 移 为 3 ． 1 mm， 开 口上 沿处 的竖 向位 移为 2 ． 2 8 mm， 由于开 口下 沿位 移 量 接 近 于 零 ， 因 此 ， 在 载 荷 作 用 下 开 口 张 开 图 4 垂直位移场 量 2 ． 3 mm。 3 ． 2 ． 2水平 位移 场分 布 图 5 计 算结 果表 明 ，最 大水平 位移 发生 在 钢板 上边 界处 ， 其值 为 2 ． 1 1 mm， 而开 口上边 沿点 水 平位 移量 0 ． 5 2 5 mm， 基 本 可 以 忽 略 不 计 。 图 5 水平位移场 3 ． 2 ． 3最 大 主 应 力 分 布 图 6 图 6 最大主应力场 计算 结果 表 明 ， 除 了两个 螺 栓 固定 处 以外 ， 钢板 内最 大应 力发 生在 开 口内侧 边缘 处 中部 偏下 ， 最 大值 为 1 4 4 ． 6 7 MP a ， 远低 于 钢材 的屈 服强度 。从 主应 力分 布迹线 来 看 ，其 变 化趋 势／ ,X开 口内缘 向右 侧逐 渐减 小 ， 钢 板 的右部 应力 很小 ， 其 值1 0 MP a 。由于钢 板整 体受 拉 ， 压应力 场相 对较 小 ， 计算 表 明最 大压应 力为 2 7 ． 3 MP a ， 发 生 在开 口内缘 稍 右侧 。 根据 以上 计算 分析 ， 机 身强度 符合 要求 。 4结 论 通过经 验设 计及 有 限元 的分 析计算 ，机身 结构 的强度 与 刚度 都符合 要 求 ，而且 可 以推断 整个 模 型 的计算 结果 具 有较 高 的计 算精 度 。 在 有 限元 的前处 理 中 ，需 要对 机身 结 构进行 合 理 简 化 ， 如 载荷 静 力 等效 、 利 用对 称 性 ， 在 不 影 响分 析 精度 的前 提下 忽 略局部 细节 。 由于结 构 的对称 性 ， 约束 条件 也具有 对称 性 。 故 在 进行 模 型处理 时 ，在 整体结 构对 称 面节 点上 施加 对 称约 束条 件 ， 使约束 条 件具 有连 续性 ， 以避免 机身 发 生翘 曲 。分析 结果 表 明 ， 经验 设计 结果 偏 于保 守 ， 应 力 较 小 ， 后 期 设 计 时 采 用 了 厚 1 2 0 ram 的 Q2 3 5板 焊 接机 身 原 设计 为 1 6 0 mm板 厚 ， 使用 效果 良好 。 【 参 考文 献 】 【 1 】 张元越， 陆红．液压机滑块的结构设计及其计算[ J 】 ．锻压装备与制 造技术 ， 2 0 0 9， 4 4 4 3 9 4 1 ． [ 2 】 侯永 超 ， 房志远 ， 张营杰 ． 大型 自由锻造 油压机上横 梁的有限元 分析【 J J ， 锻压装备与制造技术， 2 0 0 8 ， 4 3 1 3 2 3 4 ． [ 3 】 李 莹 ．J Z 2 1 型开式压力机机身结 构的力学模型及其优化 【 J J ．锻 压装备与制造技术 ， 2 0 0 3 ， 3 8 3 1 9 2 2 ． f 4 】 秦东晨 ， 祁建 中． 液 压机横 梁结 构的优 化设计 ． 锻压 技术 ， 2 0 0 4 ， 2 ． 【 5 ] Z HO U X u， H E Q i n g- h u a ， Z HU J i a n x i n ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n t h e c a p a c i t y o f h y d r a u l i c p i l e d r i v i n g u n d e r a d d i n g f o r c e [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 07 I EEE I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Me c h a t r o n i c s a n d A u t o m a t i 0 n ． N e w Y o r k ． 2 0 0 7 ． H I 2 0 3 2 2 0 3 6 ． Ana l y s i s o f t he S t r e s s -s t r a i n o f S t r u c t u r e a bo u t op e n hy dr a ul i c Pr e s s b a s e d o n t h e Fi n i t e El e me n t ZHANG Yuanyue Xuz h o u I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， Xu z h o u 2 2 1 0 08， J i a ng s u Ch i n a A b s t r a c t Th e s t r u c t u r e o f t h e 63 0 0 kN h y d r a ul i c p r e s s h a s b e e n a n a l y z e d a nd d e s i g n e d i n t h e t e x t ANS Y S s o f t wa r e ．Fi r s t l y ，t he s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s o f i t s b o d y s t r u c t u r e h a v e b e e n c a l c u l a t e d b y t h e de s i g n me t h o d ，a nd t h e n t he c a l c ul a t i o n mo d e l h a s b e e n g r i d c o mp u t e d b y u s e o f t h e FEA s o f t wa r e ANS Y t he s t r es s f i el d， s t r a i n fie l d and t he bi g ges t m ai n s t r e s s fie l d have been anal yz e d． K eywor ds St r uct ur e des i g n；Hydr aul i c Pr e s s；FEA