大吨位四柱式闸板缸动式液压机的机身有限元分析.pdf

■重 蛹 文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 1 o i 一 0 0 3 4 - - 0 3 大 吨 位 四柱 式 闸板 缸 动 式 液 压 机 的 机 身 有 限 元 分 析 李 新 健 山东力 丰重型机 床有 限公 司 天 津分公 司，天 津 3 0 0 1 3 4 摘要 利用 ANS YS软 件 ， 使用 板 单元和体 单元建 立 了一种 新型 液压 机 主机 的有 限元 模 型 ， 计算 出机 架在 承 受均布 载荷及 偏 载作用 下横 梁和立柱 的受力情况 ， 随 后进 行 了整机 的模 态分析 。 运用 先大规模 分 割体然 后 粘 接 的方法解 决不 同维数模 型 的 网格 划分 问题 ， 运 用节 点耦合 的方 法模 拟 滑动连 接。 得 出的结果指 出了原 结 构 中的薄 弱环 节 ， 为 改进设 计指 明 了方 向。 关键 词 - 机 械制 造 ； 机 身 ； 液压 机 ； 三梁 四柱 式； 有 限元分析 中图分类 号 T G3 1 5 ． 4 文献标 识码 B 1引 言 本 文研 究 的液 压 机机 身 属于 三 梁 四柱 式结 构 ， 适 合于压 机开 口高度 大 、 压 制工艺 行程小 的范 围 ， 是 一 种新 型结 构 的闸板缸 动式液 压机 。 基 于 液 压 机 本 身 的 受 载 特 点 ，想 要 全 面 的 模 拟 它 的工作情 况 ， 必 须对 其进行 整体 的结构 分析 ， 以便 分析 机架 承受偏 载时横 梁及立 柱 的受力情 况 。 首先参 照液压 机 主机设计 图纸 ， 在 ANS YS中建 立 实 体 模 型 ， 并 划 分 网 格 ， 施 加 合 适 的 约 束 ， 然 后 加 载 ， 得 到 机 架 的有 限 元 模 型 。 根 据 对 机 架 的有 限 元 模 型 进行不 同工况 下 的应 力分 析 ， 对 每种工 况 ， 求 出机 架 的危 险截面及 最大 应力 ，然后对 整机 做 了模态 分 析 ， 求 出机 架 的固有频 率 。 2有 限 元 模 型 的 建 立 2 ． 1 建 立机架 模 型 液 压机 公 称 压 力 1 5 0 0 0 k N， 开 口行 程 4 0 0 0 mm， 立 柱高 度 8 9 6 0 mm。其横 梁 为焊接 件 主要 由 3 0 ram 到1 6 5 mm 不 等 厚 度 的 Q2 3 5 一 A 钢 板 焊 接 而 成 ， 立 柱 为 锻 件 直 径 3 0 5 mm， 材 料 为 4 5号 钢 。 严 格 地 讲 ， 液 压 机 所 有 结 构 均 是 三 维 的 ， 采 用 三 维 有 限 元 法 这些 结构 可 以得到较 好 的结 果 。 但是 ， 由于整 复 杂 ， 三 维有 限元分 析模 型较 为庞 大 ， 从而 造 时间长 ， 费用 高 ， 计算 前后 的人工 准备 和整 理 大 。 因此 ， 在 实 际 情 况 允 许 的 情 况 下 ， 应 将 三 简 化为二 维 问题 ， 即采用平 面 问题 计算 。 2 01 0 一l 0 0 7 李新健 1 9 8 0 一 ， 男， 助工 ， 从事液压机的设计制造 在 建立整 机有 限元分 析模 型时 ，为 了尽可 能如 实 的反 映 液 压 机 的 主 要 力 学 特 征 ，同 时 减 小 解 题 规 模 ， 需 要 作必 要 的简 化 ， 如 略 去一 些非 主要 承载 件 ， 对 于 上 、 下 横 梁 侧 面 的 孔 予 以 忽 略 等 。 如 果 没 有 这 种 简 化 ， 整 机 的 有 限元 分 析 将 变 得 非 常 困 难 ， 甚 至 是 不 可能 的 。 本 文建 立液压 机计算 模 型的原则 是 根 据液 压 机实 际工作 情况 ，在保证 计算 模型 准确性 的基 础 上 ， 同 时 兼 顾 其 经 济 性 。 由 于 横 梁 上 各 板 的板 厚 与 其 最 小 主 要 尺 寸 之 比 小 于 1 ／ 1 0， 所 以 ， 为更好 地模拟 工程 实际 和考虑 到普 通 微机 的工作 能力 ， 横梁 主要采 用板 S h e l 1 单元 ， 部 分 结构 辅 以体 S o l i d 单元 。 具 体来讲 就是 上 、 下 横梁 全 部采 用板单 元来建 模 ，滑块 的液压 缸部 分采用 体 单 元 ， 其 余采 用板单 元 ， 立 柱全 部采用体 单元 建模 。 2 ． 2戈 U 分 网格 首先 ，定 义单元 类 型和材 料属性 。单 元类 型方 面 ，根据 主机 的结 构特 点 ，以后需 要 用到 S h e l l 6 3、 S o l i d 4 5和 S o l i d 9 2三 种单元 。需 用到 的参 数还 有 材 料 的 弹 性 模 量 2 ． 1 e 5 MP a ， 泊 松 比 0 ． 2 6 ， 密 度 7 ． 8 2 5 e 一 9t ／ m m 。 对于焊接 横梁 ，本 文采用 的办法 是将 所有 体 与 面接触 的地 方用 面分割体 ， 然后 分别粘 接 体和 面 ， 同 时在 分 网过 程 中注 意在 二 者 接触 处适 当加 密 网格 ， 以降低 不相 容性 ， 提高求 解 的精 度 ， 得 到 高质量 的 网 格 。 对 于立 柱 ， 采 用 扫 略 网格 划 分 和 自由 网 格 划 分 相 结合 的方式 ，对 它与横 梁连接 处 的螺母 附近 采用 自 由分 网 ， 其 他 部 分 采 用 扫 略 分 网 。 为 了保 证 这 两 种 单 元合 理 的连 接 ， 应 采用 金字塔 单元来 过 渡 ， 以期 正 确 连 接 二 者 。 板 结 构 采 用 四边 形 ， 并 且 用 扫 略 来 完 成 分 网 。对 局 部 小 区 域 ，如 横 梁 和 立 柱 连 接 处 形 成 的 小 面 ， 采 用 自由分 网 ， 但 这 里 应 当加 大 网格 密度 ， 以弥 补精 度 损 失 。在 单 元 类 型 使 用 方 面 ，板 全 部 采 用 S h e 1 1 6 3来 划 分 ； 为 降 低 问题 求解 规 模 ， 体 采 用 S o l i d 4 5和 S o l i d 9 2相 结 合 的 方 式 ， 二 者 分 别 用 于 自 由 分 网 和 扫 略 分 网 形 成 的 网格 。 由 此 得 出 整 机 的 有 限 元 模 型 如 图 1所 示 。 图 1 液压机整机 的有 限元模型 2 ． 3边 界 条 件 与 加 载 设 置 液 压 机 主 机 结 构 是 由多 个 零 部 件 通 过 不 同 联 接 方 式 装 配 而 成 的 ， 装 配 处 的 结 合 条 件 对 结 构 性 能 特 别 是动 态性 能 的影 响很大 ， 所 以 ， 要 得 到满 意 的分 析 结 果 ， 必 须 正 确 处 理 好 结 合 部 的接 触 问 题 。 见 图 2、 3所 示 。 由 液 压 机 总 装 配 图 可 知 ， 下 横 梁 下 平 面 与 基 础 混 凝 土 连 接 ， 可 见 应 该 在 这 里 加 上 全 约 束 ， 即 约 束 沿 、 y、 坐 标 轴 方 向 的 平 动 自 由 度U x 、 U y、 U z 和 沿 、 v、 z坐 标 轴 方 向 的 转 动 自由度 R 0T x、 R OTy、 R O 。 下 横 梁 的 四 个 地 脚 处 由 螺 栓 固 定 在 地 图 2 下横梁底部的约束 图 3 滑块和立柱的耦合 基 上 ， 所 以 也 应 当 约 束 全 部 自由 度 。 立 柱 与 横 梁 的 其 他连 接处 ， 由于立 柱刚度 较 大 ， 可 以近似 地作 为 刚性 处理 ， 对计 算精 度 影响不 大 。 由于 滑块 和立柱 间存在 滑动 ，所 以滑 块 与立 柱 间不 能按 照简单 的粘 接 处理 。 根 据 实际情 况 ， 将滑 块 和 立 柱 接 触 处 的 水 平 方 向 即 和 向 平 移 自 由 度 耦 合起 来 ， 而将 垂直 方 向 即 y向 自由度 释放 ， 以模 拟 实 际 的边 界条 件 。 通 过 以上 的约束 处理 ， 整个 主机 蛹田 机 架没 有 刚体位 移 ， 刚度 矩阵 没有 奇异 。 在 ANS YS中 ，耦 合 相 当 于约 束 方 程 的 一 种特 例 ， 其实 质 就是相 关 节点 相关 自由度 的刚性 连接 。 经 过 耦 合 处 理 以后 ，被 耦 合 到 一 起 的 所 有 节 点 的 相 应 自由度将 具 有相 同 的计算 结果 。由于 现实 中任 何材 料 都 不 可 能 是 绝 对 刚 性 的 ，且 材 料 也 会 有 不 同 程 度 的非 线 性 ， 因 而 这 种 处 理 方 法 必 然 会 产 生 一 定 的 误 差 ， 尽管 这样 ， 计算 精 度 已足够 满足 工程 要求 。 最 后 ， 根 据 实 际 工 况 ， 给 上 述 有 限 元 模 型 施 加 载 荷 ， 分 别 施 加 了 1 5 0 0 0 k N 的 均 布 载 荷 和 5 ％偏 载 ， 每 种 情 况 下 的 受 载 面 积 都 取 2 ／ 3工 作 台 有 效 台 面 面 积 。 2 ． 4静 力 分 析 从 整 机 应 力 图 上 可 以看 出 ， 闸板 与 上 横 梁 接 触 处 有严 重 的应力 集 中 ， 这 主要 是 由模 型简化 造 成 的 。 本 文 主要研 究横 梁 和立柱 的应力情 况 ，横 梁 承受 均 布 载 荷 以及 偏 载 时 立 柱 和 横 梁 的应 力 与 变 形 情 况 见 图 4 ～ 图 7， 具 体 数 值 见 表 1 、 表 2 。 表 中 安 全 系数 1是 按 照 屈 服 极 限 来 计 算 的 ，安 全 系 数 2是 按 照 强 度 极 限来 计算 的。 从表 中数 值 可 以看 出 ，无 论是 立柱 还是 横 梁都 可 以 安 全 的 承 载 。 对 于 应 力 最 大 的 位 置 ， 无 论 何 种 承 载状 态 ，立柱 所受 的最 大 应力都 位 于它 同上 横梁 连 图 4 承受均布载荷整机应力情况 图 5 承受 均布载荷 时总变形图 ■薹 P M 图 6 承受偏载时整机应力情况 图 7 承受偏载时总变形图 表 1各 种 加 载 状 况 下 立 柱 和 横 梁 的 受 力 情 况 承载 立柱所受最 安全系 安全系 横梁所受最 安全系 安全系 状态 大应力／ MP a 数 1 数 2 大应力／ MP a 数 1 数 2 均布力 2 2 2 ． 6 8 1 ． 5 9 2 ． 6 9 2 0 2 ． 2 8 1 ． 1 6 1 ．9 8 偏 载 5 ％ 2 2 2 - 3 2 1 ． 6 O 2 ． 7 0 2 0 0 ． 7 5 1 ． 1 7 1 ． 9 9 表 2各 种 加 载 状 况 下 立 柱 和 横 梁 的 变 形 情 况 承载 立柱最大 横梁最大 发生 状态 变形／ ra m 发生部位 变形／ m m 部位 均布力 O ． 1 8 接近上横梁部分 2 ． 9 6 活动横梁 偏载 5 ％ 4 ．7 8 中部以上接近上横梁处 5 ．4 3 活动横梁 接 的螺母 处 ， 而横粱 则全部 位 于它 同闸板接 触处 ， 可 见 这 两 个 地 方 是 所 谓 的 “ 危 险 区域 ” 。 这 里 需 要 指 出 的 是 ， 当 横 梁 承 受 偏 载 的情 况 下 ， 立 柱 和 横 梁 的 变 形 量 明显 增 大 ， 这 对 于 保 证 加 工 精 度 是 很 不 利 的 ， 因 而 在 实 际 工 作 中 应 当 避 免 偏 载 工 作 。 2 ． 5 模 态 分 析 的危 影 响 全 部 d - 原 模 态 结 束 表 中 表 3机 架前 1 0阶 固有 频率 阶数 频率／ H z 振型描述 1 5 ． 4 8 前后弯曲 2 5 ， 5 l 前后弯曲 3 l 5 ． 6 5 上横梁扭转 立柱弯曲 4 3 5 ． 1 8 立柱弯曲 5 3 5 ． 9 3 立柱弯曲 6 7 5 ． 2 7 横梁扭转 立柱弯曲 7 7 5 ． 5 5 横梁扭转 立柱弯曲 8 8 0 ． 8 9 立柱弯曲 9 8 4 ． 5 1 立柱弯曲 l O 8 6 ． 2 2 立柱弯曲 固有 频率 的数值 上看 ，前几 阶 固有 频率 相互 间间 隔 不是 很大 ， 发 生外 界干扰 时 ， J b 界干扰 频 率可 能 同某 几 个 频 率 接 近 ， 这 样 就 容 易 发 生 振 动 的 叠 加 ， 对 机 架 的强 度 将 会 造 成 不 利 的 影 响 ， 因 此 ， 在 实 际 工 作 中应 尽 可 能 避 开 这 段 频 率 。 通 过 与 实 际 工 作 状 况 下 的 对 比 ， 可 以发 现 由 ANS YS计算得 到 的机架 固有频 率是 可 信 的 。 3结 论 根 据 对 某 新 型 液 压 机 整 体 机 架 进 行 不 同5 E况 下 的 应 力 分 析 可 知 ，该 机 架 在 额 定 载 荷 下 其 静 态 强 度 不存 在 问题 ， 但是 在偏 载的情 况下变 形偏 大 ， 加 工精 度不 易得到保 证 ， 应 尽量 避免偏 载工作 。 对整机 进行 的模 态分 析结 果 与 实 际观 察 的振 动情 况 基本 符 合 ， 进 一 步 说 明 本 文 介 绍 的方 法 具 有 可 行 性 ，避 免 了 常 规 分 析 液 压 机 机 架 动 态 响 应 时 做 的种 种 假 设 ，结 果 更 具 有 可 靠 性 。 通 过 分 析 还 可 以看 出 ，该 机 架 中 的 立 柱 是 结 构 中 的一 个薄 弱环节 ，由于整机 闭合高 度 与工作 载荷 都 很 大 ， 立柱 不稳将 造成横 梁 变形增 大 、 机 架易 发生 振 动 ， 进 行 改 进 设 计 时 应 当 适 当 加 大 立 柱 直 径 ， 以 提 高 整 机 稳 定 性 。本 文 对 机 架 进 行 的静 、 动 态 特 性 分 析 ， 为 以 后 做 响 应 分 析 提 供 了 重 要 的模 态 参 数 ， 并 为 进 一 步 建 立 结 构 的 振 动 方 程 ， 深 入 研 究 振 动 、 疲 劳 和 噪声等 问题 奠定 了基 础 ，同时 也为实 际试 验提 供 了 参 考 和依据 。 【 参考文 献 】 [ 1 ] 黄国权． 有限元法 基础及 A N S Y S应用 【 M】 ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 2 】 张胜 民． 基 于有 限元软件 AN S Y S 7 ．0的结构分 析【 M] ． 北京 清华 大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 徐千理 ，徐燕 申．C A D、 C A E技术在大型液压机设计分析 中的应 用[ A 1 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 1 ．