基于ANSYS的压力机工作台受力分析

田世领，何灿灿昆，端武治

（扬州锻压机床股份有限公司，江苏扬州225128）

0 引言

近年来，为提高压力机加工能力，世界各国在不断增大压力机的吨位和运行速度，目前国产通用机械压力机的最大压力已达26000kN。工作台是压力机的重要零件之一，其强度是限制压力机加工性能的主要因素，因而已成重点研究课题。而工作台的刚度分析也非常重要，如果工作台弯曲刚度不够，则会在一定程度上恶化机身、滑块等重要零件的工作条件，影响压力机的工作精度和可靠性[1-2]。一般，工作台结构尺寸凭借经验设计方式相对较多，但经验设计对于不同的设计者差异较大，往往计算量较大、设计周期较长。随着计算机技术的发展，研究人员开始致力于分析计算的方法，逐步使压力机轻量化，有效节约资源。

为实现压力机的轻量化和高精度加工，提高加工性能，本文利用模拟实体的有限元分析方法对压力机工作台进行强度和刚度分析。

1 工作台建模与分析

1.1 模型简化

为了更好地模拟工作台的受力状况，建立工作台、上梁和立柱的仿真模型，对其施加载荷和约束条件，分析其刚度和强度。工作台结构较复杂、尺寸较大，为了便于分析计算，对工作台进行适当简化[3-4]：①在建立模型时，忽略一些小孔、螺钉孔及倒角，以简化结构形状，减少网格划分难度和计算时间；②去掉工作台上的T型槽结构，取工作台上模具的工作面积作为施加载荷面；③去掉底座固定零件，对工作台4个地脚螺栓孔施加约束，模拟底座的固定。

1.2 工作台实体模型

由压力机的结构和工作原理，以及工作台的约束可知，若只对工作台进行建模分析，则无法模拟出上梁及立柱等零部件受力对工作台的影响，因此必须建立工作台、立柱和上梁三部分的模型，工作台严格按照零件图尺寸建模。立柱和上梁不是分析的重点，所以只建立简化模型，所建Solidworks实体模型如图1所示。

图1 实体模型

1.3 单元及材料特性参数定义

在分析中采用Solid95单元，网格划分形式采用自由网格划分，其网格模型如图2所示。工作台材料为Q235-A，弹性模量取212GPa，泊松比取0.288，材料密度取7860kg/m3[5-6]。

图2 整体网格模型

1.4 载荷及边界条件的施加

有限元分析中，约束条件处理必须遵循两个原则：①有足够的约束；②不允许多余约束。工作台为钢板焊接结构，因其焊接部位较多，且在有限元分析中较难分析其焊接质量，因此，在本次分析中，将整个工作台看作一个整体进行分析。在结果的后续处理中重点分析焊接处应力状况[7-8]。因此在上述分析中，分析结果的刚度和强度比实际状况偏大，工作台的载荷及边界条件如图3、图4所示。

图3 工作台载荷

图4 工作台边界条件

取工作台模具的工作面积和与上梁的对应面积为施加压力载荷部，压力大小分别为2.25MPa、2.1MPa。取工作台的四个螺栓孔作为固定约束，约束其x，y和z三个方向的位移。设定y（竖直）方向的惯性加速度为9.8 m/s2，模拟重力作用。

2 结果分析

2.1 刚度分析结果

刚度分析结果如图5、图6所示。由图5可知，整体结构工作台的最大位移为0.629mm，分块结构为0.986mm；由图6可看出，整体结构工作台垂直方向上的最大位移为0.229mm，分块结构为0.579mm。

图5 工作台总位移

图6 工作台垂直方向位移

2.2 强度分析结果

强度分析结果如图7～10所示。

图7 整体等效应力云图（0～60MPa）

图8 整体等效应力云图（0～120MPa）

图9 底部等效应力云图（0～60MPa）

图10 底部等效应力云图（0～120MPa）

由工作台的整体等效应力云图（图7～8）可知，从工作台的外部来看，两种结构工作台的应力大部分在120MPa以下，部分区域的应力较大。

由工作台底部等效应力云图可以看出，整体结构的安装连接螺母的钢板与其垂直钢板的连接处最大应力为93MPa，分块结构为243MPa，其余地方应力均较小。最大应力处为钢板焊缝处，因焊接质量难以保证，焊接强度较整体强度偏低，所以，此处为整个工作台的危险位置。

3 结论

（1）根据有限元基本理论和方法，利用有限元软件ANSYS对压力机工作台强度和刚度进行分析。

（2）仿真结果表明，整体结构工作台的最大应力较分块结构小250MPa，为约束（有限元分析时施加在圆孔上的约束）引起的集中应力，其实际值远小于分析值，可不予考虑。整体结构的底板和肋板连接处的最大应力较分块结构小150MPa，位于钢板的焊接位置处，为工作台的危险位置，其余位置应力较小，均在120MPa以下，因此整体结构工作台的设计较好，分块结构的设计存在缺陷，不能满足使用要求。

（3）所做研究为合理设计压力机工作台结构、实现压力机的轻量化提供了理论参考。

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