基于ANSYS的液压矫直机机体的疲劳及模态分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 1 2 1 2 01 5 0 2 0 0 3 7 0 4 基 于 ANS YS的 液 压 矫 直 机 机 体 的 疲 劳 及 模 态 分 析 王 海 燕 。傅波 ，左 家 信 ， 卫平 1 ． 四 川 大 学制 造 科 学 与 工 程 学 院 ， 四川成 都6 1 0 0 6 5； 2 ． 江 阴兴澄 特种 钢铁 有 限公 司 ， 江 苏江 阴 2 1 4 4 0 0 ； 3 ． 成都莱 克 冶金 机械 设备 制造 有 限公 司 ， 四川成都6 1 0 0 41 摘 要 主机机 体 是液压 矫 直机 的重要部 件 ， 为 了缩 短开发 周 期 ， 降低 生产 费用 ， 有 必要在 设计 阶段 对其 工 作寿 命 和 动 态 性 能进 行分 析 评估 。首 先 应用 S o l i d Wo r k s建 立矫 直 机 主机 机 体 的 三维模 型 ，然 后将 其 导 入 ANS YS Wo r k b e n c h中进行 疲 劳分 析 。 得到 主机 机体 在脉 动 载荷作 用 下 的疲 劳寿命 、 损伤 和 等效 交变应 力 。 对 机体 进行 模 态分 析 ， 得到 前 六 阶的 固有 频率和振 型。分 析 结果 显示机 体 结构 满足 疲 劳设计 寿命 的要 求 ； 固有 频 率远 高 于矫 直机 的工作 频 率 ， 矫 直动 作平 稳 ； 在砧 座 位 置及 机体 转 角位 置 易产 生 疲 劳失效 ， 应在 下 一步 的 设计 中改进 优化 。 关键 词 压 力矫 直机 ；主机机 体 ；ANS YS Wo r k b e n c h；疲劳分 析 ；模 态分 析 中 图 分 类 号 T G3 3 3 ． 2 3 文 献 标 识 码 A DOI 1 0 ． 1 6 3 1 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 0 1 2 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 01 0 1引 言 矫直 机是 对 金 属 型 材 、 棒 材 、 管 材 、 线 材 等 进 行 矫 直 的设 备 。 目前 在 棒材 生 产 中广泛 采用 的液压 矫 直机 ， 采 用 “ 三点矫 直 ” 原 理i 1 】 ， 棒 材 由两砧 座支 起 ， 在 棒 材 弯 曲最 大处 由油 缸反 向加压 ，使 棒材 产 生反 向 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 2 作者简介 王海燕 1 9 8 8 一 ， 女， 硕士， 从事机械制造及其 自动化研究 工 作 -- 【 参 考 文献 】 [ 1 ] 何德誉 ． 曲柄压力机【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． [ 2 ] 牛瑞霞 ， 詹俊勇 ， 仲太生， 等．J D 3 6 6 3 0型压力机身有限元分析 与测试『 J 1 ．锻压装备与制造技术， 2 0 1 3 ， 4 8 5 1 6 1 8 ． 变 形 ， 油缸 卸压后 ， 若 弹性 回复量 刚好 等 于反 向变 形 量 ， 则棒 材 被矫 直 。矫直 机 主机在 矫直 过程 中 ， 机 体 承受着 矫直 力 的作用 ， 如 果设 计不 合理 ， 机 体会 产 生 变 形 和疲 劳断裂 ， 达 不到 原有 的寿命 要 求 。 考 虑到 主 机 机体 的制 造成 本 ，在 制造 前对 机体 结构 设计 的合 理 性进 行分 析 和寿命 计算 就 显得 非常 重要 。在 前 期 的研究 中 ，我们 对 主机 机体 的结 构进 行 了有 限元 分 析 ， 分析 了“ 井 ” 字 形 和 “ 米 ” 字形 两 种 主 机机 体 结 构 的应 力 和变 形 ， 得 出“ 井 ” 字形 主 机 机体 比“ 米 ” 字 形 [ 3 ] 詹俊勇， 仲太生， 王军领， 等． 双点压力机抗偏载能力研究f J ] ． 锻压 装备 与技术 ， 2 0 1 3， 4 8 2 3 0 3 2 ． [4 ] 展卫 国， 倪建成 ， 徐鲁东． 机 械压力机滑块允 许偏载荷 的确 定[ J J _ 制造技术与机床 ， 2 0 0 5 ， 5 8 5 8 6 ． Ana l y s i s a nd s o l ut i o n o f pa r t i a l l o a di ng r e s i s t a nc e f o r do u bl e p o i nt pr e s s HUANG J i a n mi n ， Z HONG J u n ， Z HU L e i ， WU Yu e q i a n g 1 ． P r e c i s i o n Ma c h i n e T o o l R e s e a r c h I 1 2 ． Me c ha ni c a l En g i n e e r i n g Co l l e Abs t r ac t Th e d o u bl e p o i n t pr e s s i s O c ha r a c t e r i s t i c s o f p r e s s h a v e b e e n o b t a i ne d p a r t i a l l o a d．Th e s t r uc t ur e o f e x i s t i n g p r e s o p t i mi z a t i o n h a v e b e e n t e s t e d a n d C O p r e s s h a s b e e n i mp r o v e d ． Ke y wo r ds Do ub l e p o i n t p r e s s ； 主机机 体更 加合 理 的结 论闭。 本 文针 对 “ 井 ” 字 形主机 机体 ， 进一 步分 析 了砧 座距 离 为 2 ． 5 m时 主机 机体 的 疲劳 寿命及 模态 ，为 液压 压力矫 直机 的设 计优 化 提 供参考 。 2压 力 矫 直 机 主 机 机 体 有 限 元 模 型 的 建 立 矫直机 主机机体结 构较复杂 ， 传 统方式 无法定 量 分析 主机 的疲劳 寿命 和 自振 频率 。压 力矫 直机 主机 机 体作为重要 承力结构 ， 除 了刚度 和强度要 满足设计 要 求 外 ， 还期 望其 工作 寿命 长 、 动态 性 能好 ， 以满 足 长期 、 可靠 和高效 率 的生 产需 求 。 因此运用 有 限元分 析 软件 在 设计 阶段 对 主机 的疲 劳 和模 态进 行 预 测 ， 这 对 于避免 设计 错误 ， 降低 制造成 本具 有重 要意 义 。 2 ． 1压 力 矫 直 机 主 机 机 体 实 体 模 型 的 建 立 建 立实 体模 型是进 行有 限元 分析前 的重要 步骤 之 一 。 首 先 采 用 S o l i d Wo r k s 三 维 造 型 软 件 建 立 压 力 矫 直机 主 机机 体模 型 ， 然 后 导入 ANS YS Wo r k b e n c h 中 ， 实 现 C AD C AE的双 向参数 传输 ， 从 而 实现设 计 与仿 真 的 同步协 同 。 2 ． 2网 格 戈 U 分 由 于 压 力 矫 直 机 主 机 机 体 过 于 复 杂 ，采 用 Wo r k b e n c h自动划分 网格 ， 单 元尺 寸设 置为 0 ． 1 m， 得 到 1 4 5 0 0 3个 节点 ， 5 7 9 8 4单元 。 2 ． 3约 束 与 载 荷 处 理 1 约束 条件 。 由于 主机机体 底板 与地 基之 间采 用 地脚 螺栓 固定 ，因．t it建模 时将 主机机 体底 面设 定 为 固定 支撑 。 2 载荷 。 在 压力 矫直 机 主机 机体 前梁 承力 板上 四个 局 部面施 加 1 0 MN矫 直 ；在压 力矫 直 机主 机机 体后 梁 液压缸 套环 面上 施加 1 0 MN反 作用 力[ 3 1 。 施加 载 荷和 约束后 的模 型如 图 1 所 示 。 2 ． 4利用 材料 的屈 服极 限 、 强度 极 限估算 材料 的 S N 曲线 准 光 和 表 命 和 强度 也与标 准试 样差 别甚 大 。必须 在确 定 s N曲线 时 ， 考虑 影 响疲 劳强 度 的一 系 列 因素 。影 响 S N 曲 线 的 因素 主要 有应 力 集 中 、 形 状 尺寸 、 表 面状 况 、 荷 载类 型等 因素 。 前车架 疲 劳试验 所采用 的应 力 寿命 曲线 ，可 用 最 小 二乘法 来确 定最 佳拟合 直线 ， 其拟 合 方程 为 l g N abl g o- 一1 1 式 中 a、 6 待定 常数 ， 由以下公式 确定 。 2 } g 一 荟 g 3 矫 直机 主机 机体 材料 为 Q3 4 5 ， 该 材料 的屈 服极 限为 3 4 5 MP a ， 强度 极 限为 5 8 6 MP a ， 当存 活率 取 9 5 ％ 时 ， 可得 a 2 1 ． 9 2 8 5和 b 一 1 0 ． 5 1 0， 代 入 S N拟合 曲 线 表 达 式 l g N21 ． 9 28 5 -1 0． 51 0 1 g o - 一 4 式 中 o- 。 对 称 疲 劳 极 限 。 先计 算综 合影 响 系数 式 中 综合 影 响系数 ； ， _应力 集 中系数 ； 。 尺 寸系数 ； ， 表 面状态 系数 。 k o l q 1 6 式 中 q 敏性 系数 ； 一 理 论应 力集 中系 数 。 由 机械 设计 手册 得 ， q 0 ． 5， 1 ． 5， 1 ． 5 ， 占 0 ． 6 7 1 8 ， 贝U ko 1 ． 25； K 1． 24； 当 Ⅳ≤ 1 1 0 ，取 N 1 0 ， 1 0 0 ， 1 0 3 , 5 1 0 ， 1 0 ， 1 0 ， 1 0 时 ， KS N -1 ． 1 ，求 出相应 的 1 N o-一 1 ；当 Ⅳ≥1 1 0 时 ， KS N 1 4， o-q o- - I N 网 ， 求 出 相 应 的 t- I N ； K,S N为 疲 劳 系 数 为 N 分 散 系 数 ， 则 可 以 得 到 取 不 同 ～ 时 的值 ， 并 绘 出 s N曲线 ， 如 图 2所 示 。 2 ． 5循环 下 的载荷谱 根 据矫 直机 的工作 情况 ，设 置加 载 载荷 为恒 定 振 幅 的脉 动循 环负 荷 ， 载荷 变化 范 围取 0 ～1 ， 取 疲 劳 强 度 系 数 为 0 ． 8， 如 图 3所 示 。由 于 平 均 应 力 不 为 0 ， 使 用 Go o d ma n应 力修 正理论 进行 修 正 。为 了计 算 损 伤和 安全 系数 ， 设 置设 计 寿命 为 l e 6， 最 大 安全 系数 为 1 5 。