钢丝缠绕液压机机架的有限元分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 1 0 5 0 0 4 6 0 3 钢 丝 缠 绕 液 压 机 机 架 的 有 限 元 分 析 许 树 勤 ， 王亚 北 京工 业大 学耿丹 学 院 ， 北 京顺义1 01 3 01 摘 要 建 立 了钢 丝 缠绕 液压 机机 架 的整体 式 和分 开 式 的有 限元 模 型 ， 分 析 了该 机 架预 紧状 态 、 工 作状 态 下 的 应力分 布 。 与 电测试 验结果 的 比较 表 明 两个模 型在 半 圆梁 对称 面处 的应 力分 布 无影 响 ， 但只 有分 开 式 机 架 能够预 测 出开 缝压 力 。获得 了预 紧力从 3 0 0 k N～ 1 1 3 0 k N 变化 时 ， 液压机 开 缝压 力 的变 化规律 。 关 键词 机 械 制造 ； 机 架 ； 液 压机 ； 钢 丝缠 绕 ； 有 限元 中 图 分 类 号 T G3 7 5 ． 2 3 文 献 标 识 码 B 1引 言 液 压机 需 要机 架作 支撑 ，机 架 有整 体框 架 和组 合框 架 之分 。 整体 机架 为 三梁 四柱 式结 构 ， 机架 的重 量 占装 备 总重 量 的 6 0 ％以上 。整体 式 机架 的转 角处 会 产 生应力 集 中 ， 使 其 强度 变弱 。 为使 压 力 机 机 架结 构 紧 凑 ， Vo n ． P l a t e n在 现代 超 高压 技 术 中l l J ， 提 出 了“ 防破 先分 ” 的设计 思 想 变 整体 机 架 为分 开式 预 紧力钢 丝 缠绕 机架 。机 架 由两 个 半 圆形 横梁 和 两根立 柱 组成 ，外 面用 高 强度 钢 带 缠 绕 ， 使 之成 为 一体 图 1 。 当压 力机 工 作 时 ， 半 圆 梁 上 承受 压力 ， 立 柱与半 圆梁 间 的压力减 小 。 随着 工 作 载荷 的不断 增加 ，半 圆梁 和立柱 之 间 的压应 力 在 ， ／ 、 、 、 ， l l l l 上 ● ● l l ● l 立 柱 l J l 、 l f 、 、 ＼ I ／ ／ 图 1 钢 丝缠 绕机架 结构简图 项 目 北京工业大学耿丹学院基金项 目 日期 2 0 1 1 - 0 6 3 0 简介 许树勤 1 9 5 5 一 ， 女， 教授 ， 从 事塑性成形工程教 学与研究 内侧会 趋 于 零 ， 此 时 ， 半 圆梁 和 立 柱之 间就 出现 “ 开 缝 ” 。增 加 预应 力能 够提 高机 架 的整体 强 度 ， 但 是预 应 力 的提高 受 到钢 丝强度 的制约 。 为 了合 理 设计 钢 丝缠 绕 液压 机机 架 ，必须 研究 不 同预 紧力 对 开缝 压 力 的 影 响 。 2钢 丝 缠 绕 机 架 的 实 验 研 究 文 献[ 2 1 提 出用 曲梁公 式来估 算 半 圆梁 中间截 面 的应 力 ，通 过光 弹材料模 型试验 和 实物 样机 电 测试 验 获得 了半 圆梁 、立柱 在预 紧状 态 和工作 状 态 时 的 应 力分 布情 况 及半 圆形 梁 的截 面 的应 力 分 布 规 律 。 实 物 电测试 验表 明 用 材料 力学 半 圆梁 简化 计算 方 法并 不 适合 。 3机 架 的 有 限 元 分 析 3 ． 1 有 限元模 型 机 架沿 厚度 方 向 的几何 形状 和 尺寸 相 同 ，厚度 为 1 0 0 ram。预紧 力 和工作 负荷 沿厚 度 方 向也是 均 布 的 ， 因 此 ， 按 二 维 问 题 考 虑 『3 ] 。 根 据 结 构 的 对 称 性 ， 半 圆 梁 的 变 形 前 后 机 架 的 对 称 面没 有位 移产 生 ，不论 在 预紧 状态 还 是在 工作 状 态 ，半 圆 梁 的 对 称 面 上 所 有 点 的 位 移 为 零 ， 即 UX 0； 立柱 的水平 对 称面 上 的所 有 点 的竖 直位 移 为 零 ， 即 UY 0 。 因此 ， 在 建立 有 限 元模 型 时仅 取 机架 的 四分 之 一 即 可 。 在 划 分 网格 时 ， 选择 八 节点 等参 四边 形单 元 。 整 体 机架 共 划 分 1 8 3 2个 单元 ， 5 7 2 8个 节 点 ， 划 分 网格 如 图 2 a所 示 ； 对分 开式 模 型 ， 需 要 对 半 圆梁 和立 柱 分 别划 分 网格 ， 在接 触 区域 有应 力集 中现象 ， 应 采 用 局 部细 化 网格 策 略 ；半 圆梁 和立 柱 问采 用 面接 触『4 1 ， 摩 擦 系 数 为 0 ． 3 ， 共 划 分 了 1 9 3 4个 单 元 ， 5 9 0 0个 节 a ， 整体式 b ， 分 开式 图 2 机架有限元模型 点 ， 网 格 划 分 如 图 2 b所 示 。 由对 称 性 知 ， 半 圆梁 对称 面施 加 X方 向零 位 移 约束 ； 立 柱对 称 面施加 Y方 向零位 移约 束 ； 半 圆粱 周 界上 的法 向 应力 为 q预 1 9 。 0 6 MP a ； 材 料弹 性模 量 E 2 ． 1 x l 0 s MP a ，泊松 比 ／ x 0 ． 3 。图 2中竖直 方 向的数 字 为 几何 模 型 Y 坐标 值 ，水 平 方 向 的 数字 为 x坐 标 值 。 3 ． 2有 限元 模 型 的验 证 当预 应 力 为 5 7 2 k N 时 ， 有 限 元分 析 可得 ， 整 体 机架 最 大第 一 主应 力 为 2 8 ． 8 5 MP a， 分 开 式 机架 最 大 第 一 主 应 力 为 3 O 。 3 6 MP a 。 危 险 节 点 的 最 大 等 效 应 力 整 体机 架 的等 效应 力 为 1 3 4 。 8 9 MP a ； 分 开式 机 架 的等 效应 力 为 1 2 5 9 4 MP a 。应 力分 布 如 图 3所示 。 a 整体式 b 分开式 匿 3 预 紧状态等效应力分布 云文 表 l给 出 了预紧 力 为 5 7 2 k N时 ， 半 圆粱对 称 截 面 上 的 x、 Y方 向的应 力测 量 值 、 整 体式 和分 开式 机 架 的有 限元模 拟值 结 果 。 工 作 状 态 时 ， 整 体 机 架 最 大 第 一 主 应 力 为 6 。 5 0 MP a ，分 开式 机 架最 大 第 一 主应 力 为 3 ． 6 6 MP a ， 整 体 机架 危 险 节点 的 等效 应 力 为 4 7 ． 0 9 MP a ， 分开 式 机 架 的 等 效 应 力 为 3 2 ． 5 9 MP a ， 如 图 4所 示 。 表 1 半 圆梁对 称 面应 力电测值 和模 拟值 比较 电测值 整体式有限元篷 分开式有 限元值 Y坐标 o J MP a o - JMP a c r fl MP a o - , ／ NP a o d 艇P a o J P a 2 5 O 3 2 ． 5 0 2 7．8 5 O 2 7 ． S 8 O 2 9 0 一1 ． t 4 -5 ． 1 3 一l 。0 9 5 l 1 一1 ．0 7 3 2 O 一2 46 2 - 2 2_ 6 2 - - 4 ． 8 O - 2 2 ， 6 3 - 4 7 8 3 5 O -3 6 ． 8 O．6 7 - 33 ．9 8 一t O．0 4 3 3 ． 9 9 一l 0。0 4 3 8 O 一 45 ． 8 3。2 5 4l i 8 -1 5．5 6 - 41 ． 2 0 一{ 5．5 6 40 o 一 41 ．4 6 - 4 4．4 3 一t 9，0 6 4 4 ． 4 6 一l 9．O6 瓿∞ 孽 6 l 秘 a 整体式 b 分开式 图 4 工作状态等效应力分布云图 从表 l可看 出 整体 式 与分开 式模 型模 拟 得 到 的 均 与 电测值 接 近 ； 两个 模 型在 半 圆梁对 称 面 上 的应 力 分布 并无影 响 。但 只有 分开式 机 架 能够 预测 出 开 缝 压 力 。 3 ． 3不 同 预 紧 力 的 影 畹 3 ． 3 1不 同预紧力 对 机架应 力 分布 的影 响 钢 丝层 层数 不 同 ， 机架 的 预紧力 不 同 ， 文 献[ 5 】 给 出 了相应 的计算 公 式 。 当预 紧力 为 5 7 2 k N 时 ， 整 个 机 架 的最 大第 一 主 应力 为 0 ． 3 6 MP a ，危 险节 点 的 最 大 等效 应力 为 1 2 5 ． 9 4 MP a ； 预 紧力为 8 9 6 k N时 ， 上述 两 4 “ - 应力 值 分别 为 4 5 。 4 9 MP a和 9 2 ． 4 8 MP a ； 预 紧 力 为 1 1 3 0 k N 时 ，上 述 两 个 值 分 另 为 5 9 ， 0 1 MP a和 2 5 1 ． 5 8 MP a ； 预 紧 力 为 2 0 6 9 k N 时 ， 上 述 两 个 值 分 另 为 1 0 7 ． 1 8 MP a和 4 6 3 。 7 4 MP a 。机 架 上 等效 应 力 图 如 图 5 3l 3 。 2 载 荷 圆 梁 力 为 图 6 警 瓣 鼯 烈 ∞ 静 静 ■羹羹疆瓣器羹羹 疆潞 疆 曩 尊 e “ 辑 髓 稚 稚 娃 矬 4 ∞ O 。 O 9 6 1 5 0 0 ． 0 9 6 1 5 0 4 O 0 f b 8 9 6 k N 0 ， O O ， o 9 6 1 5 0 c 1 1 3 0 k N d 2 0 6 9 k N 图 5 不 同预紧力情况下机架等效应力 图 0 ， O 9 6 l 5 0 a 5 0 0 k N 。 ， O 9 t5 1 5 0 f h 6 0 0 k N 【0 ， o 】 g 6 1 ∞ c 6 2 5 k N 图 6 预紧力为 5 7 2 KN不 同工作 载荷时 Y方 向应力分布图 这 与 文献 [ 1 ] 得 到 的实测 开缝 压力 一致 。 表 2列 出 了有 限元模 拟 获得 的不 同预 紧 力对 应 的 开 缝 压 力 。 表 2不 同 预 紧 力 对 应 的 开 缝 压 力 缠绕钢 丝层数 3 6 9 1 2 预紧力， k N 3 0 0 5 7 2 8 9 6 1 1 3 0 开缝压力， k N 3 1 6 6 2 5 1 0 4 2 1 3 7 0 4结 论 1 预 紧 时立柱 的应力 分布 并不 均匀 ， 内侧 压力 大 于外 侧 ， 工作 时立 柱 的压力 趋 于均 匀分 布 。 2 P N个 模 型在 半 圆 梁对 称 面 处 的 应力 5 - - i 无 影 响 ， 但 只有 分 开式 机架 能 够预 测 出开缝 压力 。 3 本 文 建立 的有 限元 模 型可 预测 钢 丝缠 绕机 架 的 开缝压 力 ，从 而为 钢 丝缠绕 机架 的优化 设计 奠 定 了 基 础 。 【 参考 文献 】 [ 1 ] 丁克元 ， 孙珏， 等． 钢丝缠绕机架的受力计算与实验分析． 锻压 机 械 ， 1 9 7 4， 9 3 4 7 6 6 ． [ 2 】 丁克元， 孙珏 ， 等． 钢丝缠绕机架的受力分析与实验研究． 锻压 机 械 ， 1 9 7 4， 9 6 5 0 5 2 ． [ 3 】 缠绕机架技术 专辑 ． 上海重型机械研究所技术情报室 ， 1 9 8 3 ． 【 4 ] 张剑寒， 曾攀， 等． 4 0 0 M N航空模锻液压机机架有限元分析． 锻 压技 术．2 0 0 9， 3 4 4 9 4 9 6 ． [ 5 】 丁克元， 孙珏， 等． 钢丝缠绕机架的有关计算． 锻压机械． 1 9 7 6 ， 1 1 1 4 4 4 7 ． Fi ni t e El e m e n t Ana l y s i s o f W i r e -wi nd i n g Fr a me o f Hy dr a ul i c Pr e s s XU S h uq i n， W ANG Ya Ge n g d a n I n s t i t u t e o f B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， S h u n y i 1 0 1 3 0 1 ， B e i j i n g C h i n a ■■■疆疆曩曩蠢熏瓣 鼹 I 札 瑚 m m m 狮