20MN快锻液压机机架动力学分析.pdf

文章 编号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 0 1 0 0 4 0 0 2 2 0 3 2 0 MN快 锻 液压 机 机 架 动 力学分 析 韩 玉 坤 ，王 立 新 - ， 刘 宏 献 2 。李 军 民 - 1 ． 安 阳工 学院 机械 系， 河南安 阳 4 5 5 0 0 0 2 ． 安 阳锻 压机 械工 业有 限公 司， 河南安 阳 4 5 5 0 0 0 摘 要 针 对快锻 液 压机锻 打 工件 瞬时 的力 学行为 ， 采 用 显式 动力 学分 析 程序 L S D YN A进 行模 拟 仿真 ， 得到 液压机 机架在 打 击时 的应 力 、 应 变分布 。 与通 常分析 方法 比较 ， 发 现把 液压机 打击过 程 当作一个 非 线性 、 动态 的碰撞 问题来研 究， 可 以得 到机架上 的应力 、 变形均 小于静 力 学分 析 的结果 。 因而 ， 在机 架设计 时， 对 材 料 的强度 要 求有所 降低 ， 这 为液压 机 的轻量化 设计提 供 了理论依 据 。 关键 词 机 械制 造 ； 机 架 ； 快锻 液压机 ； 强度 分析 ； 轻量 化 中图分 类 号 T G3 1 5 ． 4 文献标 识码 B 1引 言 机架是 液压机 的 主体 ，液 压机 的工作 过程伴 随 着 巨大 的能 量聚集 、 传递 和释放 。 液 压机 工作时 打击 过程非 常短 暂 ， 往 往不 到一个工 作循 环的 1 ／ 1 0 。 一般 情况下 ， 打击 碰撞前 的速度 可 以测 出 ， 但 是发 生碰 撞 后 这一 瞬时 的受力 状态 、 应 力应 变分 布 、 能量 转换 等 非 常复 杂 ， 非 线性 因素较 多 ， 通过 实验 测 出的数据 往 往 不准 确 ， 仅 能为更 改设计 提供一 个参 考 ， 这 就 给机 架 的力 学 分 析 研 究 带 来 很 大 困难 。目前 ， 国 内 液 压 机 设 计和分 析 多采用线 性方法 ，把 机架作 为一 个 弹性 体 ，设计 结果误 差较 大 ，机 器结构 设计 往往 比较保 守 ， 不能轻 量化 ， 造成 材料浪 费 。本 文把 液压 机打击 过 程 当作 一个碰 撞 问题 来研究 ，考 虑到各 种 非线性 的因素 ， 从 而得 到较 客观 的数 据 ， 用 以指导 液 压机 的 设计 ， 取得 良好效 果 。 2快锻液 压机 的主体 结构 快 速 锻 造 液 压机 通 常 采 用 整 体 框 架 下 拉 式 结 构 ， 如 图 l所示 。主机 主要包 括 整体 机架 1 、 固定梁 5、 工 作缸 6、 回程缸 以及其 他辅 助装置 。工作 缸 6紧 固在 固定横 梁 5上 ， 柱 塞 7与机 架 1下部连 接 。 当高 压液 体进 入工 作缸 后 ， 推 动柱 塞 7向下 运 动 ， 柱 塞 7 通 过 固 定 在 机 架 上 的 上 模 2对 锻 科技攻关项 目 1 5 7 7 一 ， 男 ， 硕士 ， 工程 师 ， 从 事锻压机 械 C A D ／ 教学和研 究 图 1 快锻液压机结构图 1 ．机 架2 ． 上模3 ． 锻 件4 ． 下模5 ． 固定横梁 6 ．工作缸7 ． 柱塞 3机 架 的 工 况 分 析 2 0 MN快 锻 液 压 机 机 架 总 高 1 0 m，立 柱 间 距 3 ． 2 m，在静 力学 分析 当 中 ，只选 取机 架作 为研究 对 象 ， 对 机架 上某 一 部位 进 行 约束 ， 使 其 不 能运 动 ， 然 后 分别对 上下 横梁加 载 2 0 MN的力 ，材料 选用线 弹 性材 料 ， 便 可 以得到机 架应 力 、 变形 的近似解 。但 在 动力 学分 析 中 ， 如果 只取机 架作 为研究 对象 ， 就得 不 到 准确结 果 。因为液 压机锻 打工 件是一 个 多体动 力 学 系统 。 实 际过程 中 ， 机 架 、 固定 横梁 、 工作 台及上 下 模具 可作 为刚性 较大 的柔性 体来对 待 ，而工 件必 须 作为 变形较 大 的柔性体 。本 文对这 一模 型进 一步 简 化 ，按 打击 过程 中对机 身可 能产生 最大 冲击 时 的情 况来 考虑 ， 即把碰撞 模 型简化 为机架 和 刚性墙 。 这 里 机架是 一可 变形体 ， 刚性 墙不 发生变 形 ， 其移 动和转 动 自由度也 全被 约束 ，让机架 以一定 的速度 去撞击 刚性 墙 ， 相对 于锻 打工 件而 言 ， 这 时 冲击力 最 大 。 图 2是 本文 建立 的仿 真模 型 的主视 图和左 视 图 ，四个 角 部带 圆弧 过渡 的矩形 框架 是 机架 ，框 架 内的 长方 体 为 刚性 墙 。 4有 限 元 模 型 根据 上述 分析 ， 结 合显 示动 力学 分析 的条 件 ， 按 照动态 载荷下 机架 的受 力情 况 ， 选取 柔性 体机 架 、 刚 性 墙作 为瞬 态动力 学分 析 的研究 对象 ，机架 与 刚性 墙 接 触 前相 距 0 ． 5 mm作 为 分 析 的 初 始时刻 ，利用 软件 Hyper M e s h DYNA 建 立 有 限 元 模 型图 2 ，并 导 出 用 于 L S DYNA 求 解 的 K 文 件 。有 限元 模 型具 体 定 义如下 分析 过程 中采用 的单 位 制 k g 、 mm、 k N、 GP a 、 ms 。 图 2 机架、 刚性墙的有限元模型 4 ． 1 模 型所 用材 料及 本构 关 系 1 机 架 机架采 用铸 钢 Z G2 7 0 5 0 0， 密 度 7 ． 8 e 一 6 k g ／ mm。 ， 弹 性 模 量 21 0 GP a ，泊 松 比 0 ． 3 。 材 料 MAT P I EC E W I SE LI NEARP L AS T I C I T Y， 称 为分 段 线 性 塑性 材 料 ， 应 力 和应变 关 系见 图 3所 示 ， 用 分 段直 线来 近 似 表 示 材 料 的 应 力 一 应 变 曲 线 图 由 实 验 测 出 。 ／ ／ ／ ／ ／ f 0 0 ． 0 5 7 5 0． 1 l 5 O ． 1 7 3 0 ． 2 3 图 3 Z G 2 7 0 5 0 0应 力一应 变图 2 刚 性 墙 刚 性墙 采用 刚性 材 料 ， 密度 为 7 ． 8 e 一 6 k mm ， 弹 性 模 量 2 1 0 G P a ， 泊 松 比 0 I 3， 材 料 类 型 为 MAT _ R I GI D， 约 束其 所有 移动 和转 动 的 自由度 。 4 ． 2模型 的单 元类 型 快 锻液压 机机 架 的结构 形状 较 为复杂 ，机体 上 分 布有 各 种加 工 凸 台 、 油 道孔 、 装 配 吊耳 、 倒 角 和 铸 造 圆角 。 在 建立有 限元模 型时 ， 把安 装机 体上 这些 对 于整体 特性 影响 较小 的局 部特 征予 以简 化 。机 架和 刚性 墙 均 采 用 8节 点 的 六 面 体 单 元 He x a h e d r o n 。 其 中机 架部 分包 含节 点 3 2 2 5 2个 ， 单 元 2 6 0 0 0个 ； 刚 性 墙包 含节 点 1 5 1 2个 ， 单 元 1 1 0 5个 ， 如 图 2所示 。 4 ． 3载荷 与边 界条 件 1 机 架 上横 梁 的底 面距 刚性 墙 的 顶 面距 离 设 置 为 0 ． 5 ram 这 是显 式动 力学 分析 的要 求 。 2 液 压 机总 的行 程 为 1 6 0 0 mm， 锻 打 工 件 时机 架 必定 要下 降一 定 的行程 ，所 以导 套对 机架 立 柱 的 约 束 位 置 必 定 上 移 ，故 对 立 柱 上 部 距 立 柱 顶 端 1 2 0 0 mm处 立 柱最 外侧 的节 点施 加 水平 方 向的 位移 约 束 ， 约 束 一 段 的 长 度 为 8 0 0 mm， 约 束 类 型 为 约 束 s pc xz。 3 根 据 实 验 测 得 打 击 时最 高速 度 为 0 ． 1 5 mm／ ms ， 对机 架施 加初 始 速度 0 ． 1 5 mm／ ms 。 4 打击 时机 架 受重力 的作 用 ， 对机 架加 载 重力 g 9 ． 8 e 一 3 mm／ ms ， 用 l o a d b o d y定 义 。 5 机 架下 端 横 梁受 油缸 活塞 的作用 力 2 0 MN， 对 机 架 底 端 下 横 梁 上 顶 面 中心 部 位 0 ． 9 6 m 的平 面 上 施 加 压 力 P， 大 小 为 公 称 力 除 以 受 压 面 积 2 0 0 0 0 k N1 9 6 0 0 mm ，采 用 l o a d ～ s e g me n t 和 s e t s e g me n t 来 定 义 o 6 机 架 的上 横 梁 的下 表 面 和刚 性墙 的上 表 面 定 义 的 接 触 类 型 为 C o n t a c t _ S u r f a e e t o S u rf a c e ， 这 要 预 先 定 义 接 触 面 Co n t a c t _ S u r f a n c e 。 7 定 义仿 真 步 长 和仿 真 结 束 时 间 。实 际锻 打 时 ， 机 架 有效 行程 很 短 ， 即锤 头 离 工件 很 近 ， 这 一 点 很符 合 瞬态动 力学 分析 的 条件 ，另外 显示 动 力学 分 析 的时 间步长 必须 小 于应 力波跨 越 网格 中最 小单 元 的时 间 ， 时间步 长 由下式 确定 At 、 ／ 南 式 中 △ 最／ b - t 间步 长 ； Z ． ～ 最 小 网 格 长 度 ； 卜弹 性 模 量 ； ， l 泊 松 比 ； p 密 度 。 带 入 已知 数据 得 At 7 ． 7 e 一 6 s 7 ． 7 t x s ， 故 定 真 步长 为 8 e 一 3 ms ， 仿 真 结束 时 间为 4 ms 。 8 定 义 输 出 o u t b l o c k项 目 为 GL S T AT、 S UM、 NODOUT、 S P C F ORC， 输 出间 隔为 8 e 一 6 s 。 5分 析 结 果 5 ． 1静力 学分 析结 果 8 6 4 2 2 2 2 2 2 O 0 O 0 ． 静力 学分 析是在不 考虑 冲击 、 碰 撞 的情 况下 ， 对 上 下横梁 同时施 加 2 0 MN的作 用力 ，并对 立柱 的 中 间部位 节点进 行 约束 ， 提交 L S DYNA求 解 ， 得 到 图 4结 果 。 a 应力图／ G P a ‘一x b 变形图／ m m 图 4 静力学分析应力和变形图 5 ． 2动 力 学 分 析 结 果 动力 学分 析是把 液压机 打击 时的状 态 ，简化成 多体 动力 学模 型 ， 按 碰撞 问题 处理 ， 提 交 L S DYNA 求 解 ， 得 到如下 结果 ， 见 图 5所 示 。 An y I s} t m 5 ．- x JE t l t E 是 } 5 8 1 m t 嚣 5p }4 te me 州M n a I } s ， e m 5 05 9 7 02 E 1 t4* E 1 誉q 钔 o1 蠹 i ； 器 a 应力图／ G P a b 变形图／ m m 图 5 动力学分析应力和变形图 5 ． 3结 论 1 分 析结 果 比较 静力 学分 析得到 的应力 和变形 的最 大值分 别 为 1 ． 6 0 3 G P a 、 4 1 ． 6 4 mm；动力 学分 析结 果 是 2 5 2 ． 9 MP a 、 5 7 ． 2 mm。 动 力 学 和 静 力 学 产 生 的 最 大 变 形 比 较 接 近 ，作用 部位有 所不 同 ，静力 学分 析最 大变形 是在 作用 的部位 以及 四个 拐角 这 和 文 献 【 1 ] 、 【 2 ] 的结 果 比 的最 大应力 值及 其作 用部 明显 的差别 首 先动 力学 并不 在直 接发 生碰撞 的部 横梁 中心 部位 柱塞 作用 力 学 分 析 的 最 大 应 力 达 到 1 ． 6 0 3 G P a ，远 超 过动 力 学分 析 的最 大 值 2 5 2 ． 9 MP a 。 而 文 献 [ 1 】 、 【 2 】 分 析 的结 果 正 好 相反 ， 它 的 结论 是 动 态分 析 比静 态分 析产生 的应力 和应 变都要 大 ，且最 大值是 发 生在上 横梁 的碰撞部 位 。 3 原 因分析 从 液压 机工作 状况分 析 ，尽管快 锻液 压机 最大 行程 1 ． 6 m， 最高 打击次数 为 1 2 0／ mi n ， 但 实 际锻打 工件 时的行程 很短 。 这 和工 件 的大 小有关 系 ， 快 锻时 的速度 只 有 1 5 0 mr r d s ， 而 且工件 烧红 时硬 度 较低 ， 整 个液压 系统 和机械 部分都 会产生 一定 阻尼 ，所 以实 际打击 时产生 的 冲击 振动 远较机 架打 击一 堵刚性 墙 时 为 小 。而 静 力 学 分 析 中 对 上 下 横 梁 同 时 施 加 2 0 MN的力 ， 这 种假设 很 不 准确 ， 以致 得 到很 大 的应 力 ，因为打击 瞬时 的受力 是很难 精确测 量 的 。文 献 [ 1 1 、 [ 2 1 仅对 其静 力 学分 析 中有 限元 模 型 的前处 理 作 了详细叙 述 ，但 是对 其动 态分析 中 的有 限元 模 型的 前 处理交 待 的不 清楚 ，只是 直接 给 出了不 准确 的结 论 。 4 结 论 ①液 压机锻 打工件 时机 架下 部横梁 中心 部位 和 下 部拐 角处产生 应力应 变最 大 ，这是优 化设 计首先 要 考虑 的问题 。发生碰 撞部 位 的上横梁 中部 和上 拐 角 处应力 变形相 比要小 ， 为次要考 虑部位 。 ②本 例 中采 用非线 性 的模 型 、 材料 和接触 ， 进行 动 力学分 析能得 到 了更 为准 确 的结 果 。 因此 ， 不能凭 经 验和推 测就轻 易认定 动态 分析得 到 的应 力 、应变 就 一定 比静态分 析要 大 ， 模 型的正 确简化 是关键 。 【 参考 文献 】 [ I 】 余新宏， 李天恩， 张盛华．快锻液压机机架静动态数值模拟[ J 】 ． 重 型机械．2 0 0 5 ， 2 ． [ 2 ] 张盛华． 快锻液压机机架有限元分析【 D 】 ． 西北工业大学硕士学位 论文 ， 2 0 0 4 0 3 ． [ 3 ] 孙彩丽． 2 0 MN快锻液压机设计及整体工作性能分析【 D 】 ． 燕山大 学硕士学位论文 ， 2 0 0 7 0 5 ． [ 4 ] 陈 明祥． 弹塑性力学【 M] ． 北京科学 出版社 ， 2 0 0 7 - -0 4 ． 【 5 ] 孙厚创， 甄志强， 赵四海． 高压油缸的应力分析及其优化设计[ J 】 ． 锻压装备 与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 3 4 8 5 0 ． 【 6 16 叶玉刚， 薛勇， 段江年． 板料成形回弹模拟及补偿技术研究现 状 锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 3 1 8 2 2 ． 【 7 ] L i v e r mo r e S o f t w a r e T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ． L S - D Y N A K e y w o r d U s e r ’ s Ma n u a 1 ． v e r s i o n 9 7 0 ． 2 0 o 3 ． 4 ． [ 8 】 A l t a i r E n g i n e e r i n g i n c ． H y p e r Me s h t o i n t e r f a c e w i t h L S D Y N A．2 0 0 3 ． 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