基于有限元法的锻造液压机瞬态动力学分析

韩 鹏

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

基于有限元法的锻造液压机瞬态动力学分析

韩 鹏

(太原重工股份有限公司 技术中心，山西 太原 030024)

为了获取锻压机在工作过程中的响应，在已经通过不同仿真软件配合确定锻压机工作载荷的前提下，利用Ansys Workbench对其进行瞬态动力学分析，得到锻压机在整个工作过程中的应力分布以及变形情况。从结果可以看出，该锻压机的强度、刚度均满足设计要求。该研究对锻压机的结构设计具有重要参考意义。

锻造液压机；瞬态动力学；有限元；分析

近年来，随着我国航空、航天、船舶、风电等行业的兴起，锻压设备逐步向大吨位方向发展。锻压设备实际工作中工况非常复杂，难以有效对其进行分析计算。一般计算中常对某一部件进行单独建模[1,2,3]，或对整机进行建模[3,4]，采用静力学分析，按最大工作载荷对锻压机进行校核。本文研究内容为某双柱式锻压成套设备数字化样机项目中的一部分，通过提取锻压成套设备的机电液联合仿真、锻件成形仿真等边界条件，利用Ansys Workbench平台，对锻压机进行中心镦粗工况下的瞬态动力学分析，得到锻压机在工作过程中应力、变形等响应，为复杂结构的锻压设备设计提供更为准确的设计参考。

1 工作载荷的确定

锻造液压机工作时主要受到拉杆预紧力、锻件成形的反作用力和工作缸、回程缸内液压力的作用，载荷示意如图1所示。

其中，拉杆预紧力根据设计值给定，均匀施加在所有的拉杆上；锻件成形力通过软件Simufact进行工艺仿真得到，锻件成形力的变化曲线如图2所示；各液压缸内压力的变化由锻造液压机整机的机、电、液联合仿真结果中提取。锻压机联合仿真模型，是在不同专业仿真软件中分别建立产品的机械系统、控制系统以及液压系统，并通过软件接口，使各系统联合为整体。将Simufact中得到的成形力施加在锻造液压机联合仿真模型中，并设定适当的操作控制信号，经过仿真即可得到相应液压缸内的压力变化曲线，如图3所示。

图1 锻造液压机工作载荷示意图

图2 成形力变化曲线

2 有限元模型的建立

锻造液压机主要由上横梁、下横梁、活动横梁、立柱、拉杆、工作缸、回程缸等主要部件组成，如图4所示。在NX软件中对液压机整机进行三维建模并经过合理简化后导入Ansys Workbench，设置各部件材料参数以及部件之间的装配关系、接触关系等。

综合考虑计算精度与计算量，对锻造液压机进行网格划分时，上横梁、活动横梁、下横梁、立柱、工作缸、回程缸等采用四面体的SOLID92单元；拉杆、上垫板、工作台等采用六面体的SOLID185单元。完成后的锻造液压机有限元模型如图5所示。

图3 液压缸压力变化曲线

图4 锻压机结构示意图

图5 锻压机有限元模型

3 瞬态动力学分析

将前述全部工作载荷施加于锻造液压机有限元模型，并添加重力场。同时在液压机地脚螺栓处施加固定约束，在两个基础梁下表面施加约束，限制下表面的竖直方向位移。瞬态动力学分析主要用于确定结构承受随时间按任意规律变化的载荷时的响应。本文所分析的中心镦粗工况整个压下过程的时间为3.85s，共设置20个载荷步，并采用完全法进行求解。

上、下、活动横梁作为主要承载结构，必须满足刚度、强度要求。参考文献[5]其最大容许局部等效应力一般为160MPa，最大允许相对刚度为0.3mm/m。

在工作载荷最大时刻，上横梁竖直方向(Y向)的位移分布如图6a所示，其整体变形挠度为2.77mm，相对刚度为0.29mm/m；上横梁Von-Mises等效应力分布如图6b所示，最大等效应力为143.71MPa，位于上横梁内部的筋板处。

图6 上横梁3.85s时刻有限元分析结果

在工作载荷最大时刻，下横梁竖直方向(Y向)的位移分布如图7a所示，其整体变形挠度为1.91mm，相对刚度为0.21mm/m；下横梁Von-Mises等效应力分布如图7b所示，最大等效应力为76.96MPa，位于地脚螺栓处，下横梁本体上最大应力为45.65MPa。

在工作载荷最大时刻，活动横梁竖直方向(Y向)的位移分布如图8a所示，其整体变形挠度为0.98mm，相对刚度为0.09mm/m。活动横梁von-Mises等效应力分布如图8b所示，最大等效应力为62.76MPa，位于活动横梁内部的筋板处。

图7 下横梁3.85s时刻有限元分析结果

图8 活动横梁3.85s时刻有限元分析结果

0.6s时刻，立柱竖直方向(Y向)的位移分布如图9a所示，其相对变形为-2.97mm，处于受压状态；3.85s时刻，立柱竖直方向(Y向)的位移分布如图10a所示，立柱外侧竖直方向(Y向)的相对变形为-1.61mm，立柱内侧竖直方向(Y向)的相对变形为-0.65mm，整体依旧处于受压状态。0.6s时刻，立柱Von-Mises等效应力分布如图9b所示，最大等效应力为84.21MPa；3.85s时刻，立柱Von-Mises等效应力分布如图10b所示，最大等效应力为67.34MPa。

图9 活动横梁0.6s时刻有限元分析结果

图10 活动横梁3.85s时刻有限元分析结果

图11、12给出了锻压机在整个工作工程中，各主要部件的最大应力和相对变形的变化曲线，从中可以明显看出，上、下、活动横梁的应力和变形均随着工作载荷的增大而增大，而立柱的应力和变形则随着工作载荷的增大而减小，这也符合预应力组合框架结构的受力特点。此外还可以从图中看出，在整个工作过程中，锻压机的各主要部件均满足强度、刚度的设计要求。

图11 工作过程中各部件应力变化曲线

图12 工作过程中各部件相对变形变化曲线

4 结论

在获取锻造液压机所有工作载荷的前提下，通过基于有限元法的瞬态动力学计算，对锻造液压机整机进行分析计算，得到主要部件的应力分布、相对变形等分析结果，证明该机强度、刚度等满足设计要求。该研究对锻压机结构设计具有重要参考意义。

[1] 杨金利.300kN压力机上横梁的有限元分析[J].机械设计，2006，23(4)：24-25.

[2] 曹文钢，曾金越.液压机上横梁有限元分析及优化设计[J].锻压装备与制造技术，2013，48(5)：38-40.

[3] 刘昱奎.液压机机身有限元分析与优化[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[4]吴晓伟.基于有限元的框架式液压机机身结构设计及分析研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[5] 吴生富.150MN锻造液压机[M].北京：国防工业出版社，2012：69-89.

Transient dynamic analysis of forging hydraulic press on the basis of FEM

HAN Peng
(Technical Center,Taiyuan Heavy Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030024,Shanxi China)

In order to obtain the response of forging hydraulic press in the working process,on the premise of confirming the working load of forging press through different simulation software,the Ansys Workbench has been adopted to perform transient dynamics analysis.The stress distribution and deformation of the forging press in the whole working process have been obtained.It can be seen from the result that the strength and stiffness of the forging press satisfy the design requirement.The study provides important reference for the structure design of forging press.

Forging hydraulic press;Transient dynamics;Finite element

TG315.4+2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.05.004

1672-0121(2017)05-0014-03

2017-04-08；

2017-0-0

韩 鹏(1987-)，男，工程师，从事机械产品仿真技术研究。E-mail：306187598@qq.com