镁铝合金等通道转角挤压液压机有限元分析

敖茜，付丽，李慧，张昌波，刘德宝(天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384)

设计计算

镁铝合金等通道转角挤压液压机有限元分析

敖茜，付丽，李慧，张昌波，刘德宝
(天津理工大学材料科学与工程学院，天津300384)

锻造液压机作为金属制品生产加工的重要工具，一直得到广泛应用。而液压机的机架作为重要的承重部件，对于被加工零件的尺寸精度产生着重要的影响。通过利用ansys软件的有限元分析工具，对镁铝合金等通道转角专业挤压液压机架进行了模拟静力学分析，从等效应力和机身位移两个方面验证了液压机设计的合理性，从而为设计进行优化提供依据。

液压机;机架;有限元分析

0　前言

近十几年来，随着科技的发展，传统的材料已不能满足现代研究领域的要求。基于大塑性变形理论的等通道转角挤压(equal channel angular pressing，简称ECAP)制备超细晶材料的方法逐渐受到世界各国材料研究者的普遍关注［1］。本文中的液压机正是专为进行ECAP相关研究而设计的专业液压设备。

此液压机为框架式液压机，机身主要由上横梁、下横梁、左纵梁、右纵梁和四根导柱组成，机身各钢板之间采用焊接进行连接。垂直和水平方向的液压系统分别产生锁模力和挤压力。机身作为框架式液压机的主要的承重部件，不仅承载着一系列零部件和结构的重量，还要承载油缸所产生的公称压力。而此液压机要进行的ECAP实验研究，对模具的尺寸精度，挤压速度，挤压温度都要较高的要求。如果机身刚度不足而产生的变形将使设计模具的位置精度大大降低，从而影响实验的结果和精度［2］。

1　机身有限元模型的建立

1.1实体模型的建立

本文中的液压机机架采用proE软件进行三维实体建模，在建立机身有限元模型时，根据有限元模拟计算的需要，同时在不影响计算结构精度的前提下，简化了一些倒角，凸台及小孔，对于不是处于主要承重部位的一些尺寸较小的螺纹孔或销孔，也给予了忽略［3］。最终建立的液压机机身模型如图1所示。

1.2单元划分和材料的选取

网格的划分是建立有限元模型的一个重要环节，所划分的单元形式对计算精度及计算规模将产生直接影响。机架各部分由厚度不同的板材组成，若采用板、单元对其进行网格划分，需设置大量的参数，将会增加计算规模，也会对计算结果的准确度产生影响。由此对于液压机这种大型且结构较为复杂的模型，一般采用四面体单元进行划分网格［4］。将简化后的模型导入ansys软件中进行网格划分，此处采用的是solid 185单元对模型进行划分。网格划分后的模型如图2所示。

图2　机身有限元模型Fig.2 Finite elementmodel of rack

划分网格后共得到单元514849个，节点116800个，机身采用的材料为Q235，其主要的力学性能参数如表1［5］。

表1　Q235钢力学性能参数Tab.1 Themechanical properties of Q235

1.3载荷的计算

该液压机在工作时有垂直工作载荷(150kN)和水平工作载荷(78kN)。垂直工作油缸的推力产生锁模力，水平工作油缸产生挤压力。以液压机的公称压力作为计算载荷，当对处于垂直方向上的油缸加压时，假设通过力的传递作用使机身的上横梁受到均匀向上的作用力，液压缸对上横梁的反作用力150 kN以均布力的形式作用在上横梁油缸安装面上的R 262.5～R 155 mm的圆环上，则平均应力通过计算为1.64 MPa［6］。与垂直工作载荷一样，假设水平工作载荷78 kN以均布力的形式作用在右侧梁中心R 195～R 115 mm的圆环上，则通过计算，平均应力为1 MPa。

1.4给模型施加约束

在实际工作过程中，该液压机的机身会通过地脚螺栓与地基相连，所以此机身底座可视为全约束，自由度为0。假设上横梁受到的垂直向上的作用力均匀分布，大小为1.64 MPa;右纵梁受到水平向右的均匀分布作用力，大小为1 MPa。液压机在满载状态下受到的作用力最大，所以本文主要对满载状态进行模拟。

2　模拟结果分析

2.1应力分析

机身在满载状态下的等效应力如图3所示。此处采用Von Mises应力作为评判的标准［7］。

该机身采用的是Q235钢焊接进行的连接，根据经验安全系数采用1.5，则许用应力为156.67 MPa。从图3中可以看出，液压机机身的大部分应力都在0～25 MPa之间，四根导柱和各钢板之间的焊接处受到的应力较大，其值大概在50～75 MPa之间，但都在许用应力范围内，不存在安全威胁因素。但在上横梁的钢板加强筋的焊接处分布有非常少量的最大的等效应力值202 MPa，此处可以增大该加强筋的厚度或加大上横梁钢板的厚度以提高抗拉强度。

图3　机身的等效应力分布图Fig.3 Equivalent stress distribution of rack

为了减小上横梁的应力值，使其控制在许用应力范围内，在结构上给予了改进，将上横梁的底板加厚200mm，加强筋的结构也进行了改进，减少了应力集中的地方，如图4所示。

图4　改进前后的加强筋结构Fig.4 Reinforcing rib design after improvement

结构改进后的模拟结构如图5所示，可以从该机身的等效应力分布图中看出，加强筋的焊接处的最大应力变小，约为103 MPa左右，达到了许用应力的要求范围内。

图5　机构改进后的等效应力分布图Fig.5 Equivalent stress image of rack after improvement

2.2变形分析

通过Ansys的静力分析求解出该机身的位移分布图，如图6所示。从图中可以看出，上横梁油缸的安装区域的变形量最大，大概为0.335 mm左右。受水平载荷作用力的右侧梁，其位移最大处为0.22 mm左右。机身的整体变形量沿z轴方向由上至下逐渐减小。

图6　机身变形量分布图Fig.6 Deformation image of rack

3　结束语

(1)通过对该机身等效应力模拟结果的分析，该液压机机身的大部分应力分布比较均匀，且在安全的许用应力范围内。只有在上横梁加强筋的焊接处有少量的较大应力值，对此问题进行了上横梁结构的改进，减少易产生应力集中的位置，使应力下降，达到了许用应力的范围。

(2)通过位移变形的分析结果可以看出，整个机身框架的位移变形量都很小，不会在机器工作时对模具的精度等产生影响，可以保证最后材料的加工精度。

［1］刘英，李元元，张大童．金属材料的等通道转角挤压研究进展［J］．材料科学与工程学报，2002，20 (4):613－617．

［2］丁俊，徐春国，任广升，等．多向模锻液压机机身结构优化设计［J］．精密成型工程，2013，5(1):4－7．

［3］何柏岩，张连红，王树新，等．THP37－150A型液压机主机与部件有限元分析［J］．应基础与工程科学学报，2009，17(3):438－444．

［4］邓凡平．Ansys12有限元分析自学手册［M］．北京:人民邮电出版社，2011．

［5］M Jolgaf，A M SHamouda，S Sulaiman，M M Hamdan．Development of a CAD/CAM system for the closed-die forging process［J］．Journal of Materials Technology Processing，2003，(138):436－442．

［6］卢永．组合式液压机结构仿真分析与优化设计［D］．沈阳:东北大学，2010．

［7］张倩倩，王刚，薛克敏．新型6 300 kN多向模锻液压机有限元分析［J］．精密成型工程，2011，3 (4):72－75．

［8］韩江，陈党，夏链，等．20 MN大型框架式液压机机身有限元分析及优化设计［J］．锻压技术，2011，36(3):67－70．

［9］吴淑芳，黄启良，王宗彦，等．机械产品参数化优化设计方法研究与应用［J］．煤矿机械，2012，33 (2):18－21．

［10］李志波，吴树亮，赵长财，等．12.5 MN双柱快锻液压机机架的有限元分析［J］．锻压技术，2008，33(4):100－104．

［11］居大伟，李森．框架式液压机机身结构承载分析［J］．机械设计，2010，27(9):81－83．

Finite elementmodal analysis on Al-M g alloy equal channel angular hydraulic press

AO Qian，FU Li，LIHui，ZHANG Chang-bo，LIU De-bao
(School of Material Science and Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China)

Hydraulic press is always widely used for it's themost important equipment formetalmanufacture．The frame，as a core bearing part，significantly influences dimensional accuracy of the processed parts．A FEM model of the frame is established to simulate static analysis，while testify rationality of the frame from the point of views both equivalent effective stress and frame displacement，which provides basis for the optimizing．

hydraulic press;frame;finite elementmodal

TH123

A

1001－196X(2015)02－0042－03

2014-04-21;

2014-05-16

国家自然科学基金(51271131)

敖茜(1988－)，女，天津理工大学硕士研究生，研究方向:材料成型设备制造与工艺。