闭式单点压力机结构的强度分析
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摘要： 在深入研究国内外锻压设备发展现状的基础上，利用Abaqus对某型400 t闭式单点压力机在工作状态下的应力进行有限元分析，得出其应力分布，为压力机进一步的设计和优化提供参考.
关键词： 闭式单点压力机； 有限元； 强度
中图分类号： TG315；TB115.1文献标志码： B
引言
锻压设备是制造业领域一类重要的加工装备，广泛应用于汽车、航空航天、工程机械和石油化工等行业[12].有数据表明，在全球范围主要生产机床的企业中，锻压设备的产值占各类机床产值的30%左右，并且一个国家锻压机械行业的好坏也间接表明该国制造业的发展水平.[3]
目前，我国制造业整体稳步发展，逐渐向前，带动锻压机械的快速发展，但我国还不是锻压强国.加快锻压机械行业发展，顺应市场需求，同时对加快我国装备制造业的发展，促进以工业、国防和航空航天为代表行业的技术进步，提高综合国力具有重要意义.[4]
压力机机身强度和刚度的大小对压力机性能影响很大，理论计算时仅单独校核机身每个零件的强度和刚度，并且往往只选取一些潜在危险的截面进行校核.[5]为弥补理论计算的不足，采用Abaqus有限元分析软件对压力机机身进行整体有限元静力学分析，求解机身最大工作载荷时强度和刚度大小，得到压力机机身整体应力分布，找出应力最大位置，为压力机进一步设计和优化提供参考.
1压力机机身建模
1.1压力机机身三维实体建模
采用Pro/ENGINEER 4.0建立机身的几何模型，在建模过程中，考虑到下一步有限元分析的需要，忽略模型中的倒角以及小的螺纹孔等对整体力学分析影响较小的几何细节，建立机身的几何模型，见图1.图 1导入前机身的几何模型
1.2有限元模型建立
机身的横梁、立柱和底座材料为灰铸铁HT200，垫板为球墨铸铁QT5007.[6]机身材料属性见表1.将HT200赋到横梁、立柱和底座，QT5007赋到垫板，材料属性设置完成.
表 1机身材料的参数材料密度/（kg/m3）弹性模量/Pa泊松比HT2007.2×1030.9×10110.27QT50076.9×1031.2×10110.29
对于各部件之间的接触关系，如机身的横梁与立柱、立柱与工作台以及垫板与工作台等通过螺栓或螺钉固定的，有5个接触对.正常工作下，面与面不脱离，也不滑移，所以用绑定处理，5个接触对均选择为tie.
Abaqus中处理接触关系的算法有拉格朗日乘子法、罚函数法、增广拉格朗日法和MPC多点约束算法等.其中，MPC多点约束算法通过约束方程在接触面上保证协调，可以解决不协调网格之间的连接问题，因此，机身零件接触关系采用MPC算法的tie类型.[7]
机身是一个装配体，横梁与立柱、立柱与工作台的作用通过面接触关系传递，且横梁、立柱和工作台均属于壁厚较大的箱体结构，划分为10节点四面体单元C3D10网格，横梁的芯轴孔是关键的受力部位，对孔的表面进行网格细化.[8]
同一几何体六面体划分方法比四面体划分方法网格单元少，节点数少一半.垫板具备规则的形状，划分为20节点的六面体单元C3D20网格.
设定各零件的网格单元尺寸，划分网格，建立有限元模型，网格划分结果见表2，机身有限元模型见图2.表 2网格划分结果零件单元数/个节点数/个基本单元尺寸/mm横梁160 615276 13060左右立柱17 69134 36380工作台19 80735 29170垫板31 43651 34360注：横梁芯轴孔处细化的单元尺寸为30 mm.
图 2机身有限元模型
机身网格划分质量的好坏对机身分析结果影响较大.对网格质量进行检查，单元畸变度是用来检查网格单元质量的度量，其大小在0～1之间.机身网格的单元平均畸变度为0.27，参照单元畸变度与单元质量的关系（见表3），可知此次单元划分质量很好，有限元模型成功建立.
表 3单元畸变度与网格质量关系单元畸变度单元质量0～0.25优秀0.25～0.50很好0.50～0.80好0.80～0.95可接受0.95～0.98差0.98～1.00不可接受
1.3施加约束和载荷
给机身工作台与地基接触的面施加约束，约束自由度为6个；给4个地脚螺栓孔施加约束，约束孔的法向自由度.压力机滑块到达下止点时达到承受最大载荷的状态，给芯轴孔施加竖直向上的轴承载荷，大小为4 000 kN；给垫板上表面施加垂直向下的载荷，大小为4 000 kN；施加重力加速度大小为9 806.6 mm/s2.
机身为组合件，通过拉紧螺栓的预紧力拉紧，因此要施加预紧力.Abaqus中高强度螺栓预紧力的施加主要通过直接加载法、螺栓载荷法和预应力场法等实现.[9]为简化计算，采用等效力法，即在机身与拉紧螺栓4对接触面施加4对预紧力，预紧因数为1.5，每对大小为
F=1.5Fg=1.5×4 000 kN=6 000 kN
机身的电机质量、传动系统质量等载荷予以忽略.至此，所有载荷和约束施加完成.
2机身有限元静力学分析
由图3可知，应力主要集中在芯轴孔上部、横梁靠近拉紧螺栓处、底座靠近拉紧螺栓处和工作台垫板中心等.芯轴孔的上部最大应力达到28.547 MPa，受力形式为压应力.横梁拉紧螺栓处与螺母接触面的最大压应力超过20 MPa，横梁中间截面最上端受到的拉应力与最下端受到的压应力为5.194 9～7.789 6 MPa，均未超过横梁的许用拉应力40 MPa与许用压应力60 MPa.横梁靠近拉紧螺栓处的应力为10.384～12.979 MPa，小于许用剪应力.立柱的后部出现最大压应力约为10 MPa，小于许用压应力60 MPa.工作台靠近支座的地方出现的最大应力为剪应力，大小为15～18 MPa，小于许用剪应力30 MPa.
机身的变形云图见图4，可知，机身最大变形发生在横梁后部上端0.282 66 mm处.工作台的挠度约为0.125 mm，垫板中心变形约为0.165 mm.
图 4机身的变形云图
由上述计算可知，垫板的挠度约为0.040 mm，立柱的最大变形量约为0.165 mm，横梁的最大变形为0.282 66 mm，则横梁的挠度为0.282 66-0.165=0.117 66 mm，本文取0.118 mm.
3结论
（1）结构整体强度满足许用条件，横梁芯轴孔处出现最大压应力，横梁与工作台靠近拉紧螺栓处会出现较大剪应力.
（2）压力机机身整体刚度满足许用条件，机身最大变形发生在横梁后部上端.
（3）将Pro/ENGINEER与Abaqus结合使用，对压力机机身进行三维实体建模和有限元建模，使工作量大为减少.对压力机机身模型进行有效网格划分和约束，使有限元分析取得良好效果.参考文献：
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