YZ-45型液压机机架的有限元模型设计及优化.pdf

1 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 4年 6月 Y Z 一 4 5型液压机机架的有限元模型设计及优化 袁林， 侯力， 董璐， 游云霞 四川大学 制造科学与工程学院， 四川 成都6 1 0 0 6 5 摘要 作为Y Z - 4 5型液压机的关键部件， 为了提高其机架的强度和可靠性， 设计采用钢丝预紧结构。 首先阐述了铜丝预 应力机架疲劳强度高于非预应力机架的原理， 并在此基础上做了设计， 采用三维造型软件做了精确的建模并做了较详细的 有限元静力学分析， 证实了设计的机架无论预紧还是工作时都安全。但发现机身承受的压应力较大且分布不均匀， 所以对初 步模型做了优化设计， 对半圆梁和固定工作台的结构做 了改进， 且除立柱 3 5 C r M o 半圆梁的材料换用Z G 3 1 0 - 5 7 0 H， 其余 部件改用4 5 钢， 并做了有限元分析。分析结果表明 机架预紧和工作时最大应力分别较原设计减少了4 1 ． 8 7 ％和 6 6 ．2 ％， 所以 机身的安全陛更高， 成本更低， 且研究成果已生产出相关设备并运行良好， 为实际制造加工提供了参考依据。 关键词 液压机 ； 机架； 钢丝预应力； 有 限元静力学分析 ； 优化设计 中图分类号 T H1 6 ； T U 3 l 1 ； T G 3 1 5 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 6 0 0 1 2 0 5 De s i g n a n d Op t i mi z a t i o n o f t h e Fi n i t e El e me n t Mo d e l o f Fr a me i n YZ- 4 5 Hy d r a u l i c Pr e s s YUAN L i n，HOU Li ，DONG Lu，YOU Yun x i a S c h o o l o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t As a k e y p a r t i n YZ 45 h y d r a u l i c p r e s s ．s t e e l wi r e p r e s t r e s s e d s t r u c t u r e W O d e s i g e n e d t o i mp r o v e t h e s t r e n g t h a n d r e l i a b i l i t y o ft h e f r a m e ． F i r s t l y ，e x p l c d n e d w h y t h e f a t i g u e s t r e n gth o fa w i re p r e s t r e s s e d fla m e i s h ig h e r t h a n t h a t ofa n o n p r e s t r e s s e d f r a me ’ S t h e o r e t i c a l l y ． A 3 D mo d e l i n g s o j w a r e w a s u s e d t o m o d e l p r e c is e Z y and t o anal y s e w i t h．fi n i t e e l e m e n t m e t h o d f o r t h e f o r m e r s t r u c t u r e ． T h e r e s u l t s i n d i c ate d t h a t t h e s t r e s s m粥 l a r g e a n d d i s t r i b u t e d u n e v e n l y． al t h o u g h t h e fram e W O N s a f e w h e t h e r at w o r k o r o n p r e l o a d ． T h e r e f o r e ， t h e s t r u c t u r e of s e mi c i r c l e b e a m s and t h e fi x e d t a b l e w e r e o p t i m i z e d ， a n d t h e m ate r i al W ON r e p l a c e d b y Z G 3 1 0 - 5 7 0 H f o r b e a m s a n d 4 5 s t e e l f o r o t h e r p art s e x c e p t 3 5 C r M o f o r c o l u m n ． A ft e r s t at i c a n aly s i s ．t h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e mn s t r e s s WON r e d u c e d b y 41 ． 8 7 ％ o n p r e l o a d a n d 6 6 -2 ％ at w o r k r e s p e c t i v e l y ．Th e r e l at e d e q u ip me n t s w e r e p r o d uce d and u s e d i n f a c t o r y ， a n d a r e i n g o o d o p e r ati o n ． R e f e r e n c e s h a v e b e e n p r o v i d e d f o p r act i c al manu f act u r i n g p r o c e s s ， p r o v e s t h att h e frame is s a f e r a n d c h e a p e r Ke y W o r d s Hy d r a u l i c Pr e s s ； Fr a m e ； S t e e l W i r e P r e s t r e s s e d ； Fi n i t e El e me n t S t a t i c s An a l y s i s ；Op t i mi z a t i o n 1 引言 液压机是制品成型生产中应用最广的设备之一，被广泛地 应用于材料成型、 硬质合金、 复合材料的加工等领域， 已经成为工 业生产中必不可少的设备之一 。 液压机的机架重量占装备总重 量的 6 0 ％以上， 是重型液压机中价值最高的部件 。 Y z - 4 5型液压机可用于航空航天、 军工产品或车辆零件 如 刹车片 等材料的压制成型与加工校正。其机架在液压机工作时 要承担全部的工作载荷， 特别在其横梁和立柱的连接处由于截面 形状剧烈变化或者由于连接方式易产生应力集中， 多次反复使用 容易发生疲劳损坏I5 1 。所以机架采用预应力结构就显示了突出的 优越性 ， 常用的预应力机架主要有三类 拉紧杆 拉紧螺栓 式预 应力机架， 钢丝缠绕预应力机架和预应力钢筋混凝土机架16 - 9 1 。 钢丝 缠绕 预应力机架因其体积小 ， 重量轻 ， 安全可靠 ， 承载 能力强等特点得到广泛使用。 瑞典的某公司首先开发出预应力钢 丝缠绕开式机架， 随后前苏联、 美国、 日本等也相继开展了钢丝缠 绕结构的研究[1 0 - 1 1 】。我 国从 2 0世纪 7 0 年代也开始了相关 的研究 并取得 了重大成果_ 】0 1 ， 缩小了与世界先进水平的差距 。至今全 国 各种钢丝缠绕材料成形压机投放市场达到 1 0 0 0台左右⋯ 1 。所以 对 4 5 MN液压机的机架结构设计拟采用钢丝缠绕预紧结构。 2预应力钢丝缠绕组合式机架的优点 2 ． 1原理 钢丝缠绕预应力机架的原理是首先将上下半圆梁和立柱 剖分开 ， 再使用高强度钢丝 预紧件 将立柱和上下梁 被预紧 件 层层缠绕成一个组合结构 ， 机架在承载前承受预紧力， 工作 时由于预应力和工作载荷引起的应力方向相反，从而抵消了机 架上全部或大部分的工作载荷引起的应力 加载的总预紧力一 般是最大工作载荷的 1 ． 5 倍或更高 ，所以整个结构的承载能力 大大提高16 1 。 例如常用的四柱式机架， 其基本结构， 如图 1 所示。 机 来稿 日期 2 0 1 3 - 1 2 1 2 基金项 目 四川省高新产业发展重大关键技术项 目 1 l k j t o 4 ； 西南科技大学省部共建教育部重点实验室开放基金资助项 目 1 1 z x z k 0 4 作者简介 袁林 ， 1 9 8 8 一 ， 男 ， 四川资中人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向 机械设计及理论 ； 侯力， 1 9 5 6 一 ， 男 ， 四川雅安人， 教授， 博士， 博士生导师， 主要研究方向 机械设计及理论、 结构力学仿真分析、 测控技术 第 6期 袁林等 Y z - 4 5型液压机机架的有限元模型设计及优化 1 3 架结构简图， 如图1 a 所示。钢丝层与立柱横截面示意图， 如图 1 b 所示 。 钢丝层 截 面 A a b 图 1机架基本模 型图 F i g ． 1 Th e Ba s i c Mo d e l o f F r a me 钢丝预紧机架的变形载荷图， 如图2 所示。 它由钢丝的拉伸 变形图 △ 和机架的压缩变形图 一 P _ △ 组合而成I6 1 。 P Z 避 辗 憾 1 罹 D． Z 岂 握 辐 似 瞄 钢 丝 变 形 位 移／ ra m 机 架 变 形 位 移 ／ mm 图 2钢丝预紧组合机架变形载荷 图 F i g ．2 Th e Di a g r a m o f De f o r me d L o a d s o f t h e F r a me P r e s t r e s s e d b y W i r e s 当预紧结束时， 预应力结构达到平衡状态 图中 b 点 。 加载 工作载荷后， 钢丝继续沿着 O 。 b进一步被拉伸， 拉伸变形增加， 而 机架则沿着 0 2 6减少压缩变形 恢复 。 当载荷增加到额定工作载 荷 时， 加载停止。这时机架变形恢复量为6 。由此可见， 预应力 机架总的变形比非预紧机架的小。钢丝所受的拉伸载荷增加了 ，机架的压缩载荷减小了 用于抵消工作载荷 ， 它们都小于 F ， 且 F I F 2 F ， 则有式 1 [61 式中 E ， A 钢丝的弹性模量和截面积； ，A 一立柱材料的弹性模量和截面积。 由于钢丝的截面积远小于立柱的截面积 ， 即A ， 所 以 F I l ， 0 C I ， 所以有 0 K I ， 即预应力机架所 承受的应力与非预紧机架相比大大减小了， 且 0 ， 即机架始终 承受压应力 。 由此可以看出钢丝缠绕预紧机架的优点为 1 本身机架采用剖分式代替整体式就可以减少部分应力 集中， 可靠性提高， 故安全胜一般高于非预紧结构， 可以设计出承 载能力强或重量轻的结构； 2 被预紧机架承受的工作应力大大减小 ， 且始终处于受压 状态， 所以不易导致疲劳破坏； 3 预紧钢丝虽然承受的平均应力较大， 但载荷的波动较小 一般不超过平均应力的 1 0 ％ ，且一般采用抗拉强度极高的材 料制成 ， 所 以也不易发生疲劳破坏 ； 4 因为层层缠绕的钢丝不可能在同一瞬间， 沿同一截面断 裂， 即使内层钢丝已经完全断裂， 只要外层钢丝完整， 靠摩擦力的 作用 ， 也不会破坏， 所以安全l生 极高。 并且钢丝缠绕预应力结构相比其他预紧结构体积更小 ， 重 量更轻 ， 具有很突出的优势， 所以本次设计采用钢丝预紧结构。 3有限元初步分析 3 ． 1初步模型的建立 需设计的Y z - 4 5液压机采用的是四柱式机架， 在 S o l i d E d g e 软件 中简化 了一些零部件并删除了一些不必要 的螺纹孑 L 和不重 要的倒角后设计的三维模型再导人 A n s y s 软件 3 _ 5 1中得到的机架 初步模型， 如图3所示。主要由 1 上半圆梁； 2 下半圆梁； 3 四根立柱； 4 固定工作台； 5 基座组成， 其中， 立柱采用带槽矩 形结构。机身材料为 3 5 C r Mo 合金钢， 屈服极限达8 3 5 MP a ， 保证其 具有很高的强度、 冲击韧l生、 抗疲劳强度等性能； 扁钢丝所组成的钢 带采用 6 5 Mn 高强度弹簧钢带， 抗拉极限达 1 8 0 0 MP a 以上， 保证具 有很高的抗拉性能。立柱高 7 7 l O m m， 半圆梁半径为 1 7 4 0 m m， 扁 钢丝厚度7 8 mm， 两个半圆梁之间宽度是 2 4 8 0 m m。 立柱的截面尺 寸 ， 如图 4 所示 。 一 一 一 一 1 6 机 械 设 计 与 制 造 No ． 6 J u n e ． 2 0 1 4 工作状态下的位移变形图， 如图 1 0 a 所示。最大变形发生 在上半圆梁与立柱的连接处， 为 1 ． 0 4 0 1 m m， 应力分布图， 如图 1 0 b 所示。最大应力为 2 3 2 ． 1 6 MP a ， 在上半圆梁与立柱的连接处。 优化设计后的预应力机架在两种工况下的位移、 应力值， 如 表 3所示 。 表 3 改进后的机架位移应力对 比 T a b ． 3 T h e Dis p l a c e me n t a n d St r e s s o f t h e Op t i mi z e d An a ly s i s 由此可知， 改进设计后的机架相比最初设计的机架在两种 工况下的最大应力减小 了 预 紧状态 5 9 0 ． 1 5 3 4 3 ． 0 4 ／ 5 9 0 ． 1 5 -- 4 1 ． 8 7 ％ 工作状态 6 8 6 ． 9 3 2 3 2 ． 1 6 ／ 6 8 6 ． 9 3 6 6 ． 2 0 ％ 5结论 根据 A n s y s 软件分析结果并和初步结果对比可得如下结 论 1 改进后的机架各部分结构在两种工况下的最大应力仍 然低于材料的屈服极限， 所以改进后的机架在预紧和工作状态都 是安全 的； 2 改进后的机架两种工况下的应力分布都比最初设计的 机架的应力分布情况显著均匀且应力值都明显低于原设计 分别 降低约4 2 ％和 6 6 ％ ， 说明对原结构的优化设计很好地消除了机 身应力集中， 更加安全可靠； 3 改进后的机架在工作状态下的应力， 变形量都较预紧状 态减小， 符合规律， 说明该设计更加合理 ； 4 改进后的结构最大变形、 最大应力都明显由上半圆梁部 分向立柱方向转移 ， 降低了其危险性 ， 并且由于将较为安全的半 圆梁和其他部件换成了其它强度较低但价格也较低的材料 ， 在不 影响安全I生的前提下， 节约了材料成本， 更加经济实用。 为 Y z _ 4 5型液压机机架的制造加工提供了理论依据，对相 关问题的研究具有一定的指导作用。根据生产出的 Y z - 4 5液压 机机架已经在某厂广泛使用， 事实证明所有机架工作情况 良好 ， 未出现疲劳破坏现象 。 参考文献 [ 1 ] B a n u e l o s G S ， Wa l s e S S ， Y a n g S L Q u a n t i fi c a t i o n ， l o c a l i z a t i o n ， a n d s p e c i a t i o n o f s e l e n i u m i n s e e d s o f c a n o l a a n d t wo mu s t a r d s p e c i e s c o mp a r e d t o s e e d m e a l s p r o d u c e d b y h y d r a u l i c p r e s s[ J ] ． A n a l y t i c a l C h e mi s t r y ， 2 0 1 2 1 4 6 02 4 6 03 0 ． 1 2 J L u X J ， H u a n g M H ． S y s t e m d e c o mp o s i t i o n b a s e d mu l t i l e v e l c o n t r o l f o r h y d r a u l i c p r e s s m a c h i n e [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 2 ． 5 9 4 1 9 8 0 - 1 9 8 7 ． 1 3 ] F e r r e i r a J A， S u nP ， G r a c i o J J ． D e s i g n a n d c o n t r o l o f a h y d r a u l i c p r e s s [ J ] ． P r o c ．I EEE Co n f ． C o mp u t ．Ai d e Co n t r o l S y s ．De s ． C ACS D， 2 0 07 8 1 4 8 1 7 ． [ 4 ] 林峰， 颜永年， 吴任东． 现代重型模锻液压机的关键技术[ J ] ． 机械工程 学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 3 9 1 4 ． L i n F e n g ， Y a n Y o n g n i a n ， Wu R e n d o n g ． K e y t e c h n o l o g i e s o f mo d e m h e a v y d i e f o r g i n g p r e s s l J J ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e rin g ， 2 0 0 6 ， 4 2 3 9 1 4 ． [ 5 ] F u l l a n d M， S a n d e r M， K u l l me r G．A n aly s i s o f f a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n i n t h e fl a me o f ah y d r a u l i c p r e s s [ J ] ． E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 8 ， 7 5 3 - 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