压力机机架设计的有限元分析

第3卷 第2期 2011年3月

精密成形工程

JO U RN A L O F N ET SH A PE FO RM IN G EN GI NEERIN G

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压力机机架设计的有限元分析

张汝1,2,刘为1,张倩倩1,薛克敏1

(1.合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥230009;2.阜阳同力实业有限责任公司,安徽阜阳236000)

摘要:以压力机机架为研究对象,用ANSYS 软件对2种设计方案的机架结构进行静动态分析,获得了机架应力分布和位移分布规律。通过模态分析给出了机架振动的固有频率及相应振型。结果表明,在保证机架强度的条件下,第2种设计方案减少了机架使用材料,机架质量减少了22.6%,降低了生产成本,取得了良好的经济效益。

关键词:机架;有限元;静态分析;模态分析中图分类号:T G315.5 文献标识码:A 文章编号:1674-6457(2011)02-0039-04

收稿日期:2010-08-06

作者简介:张汝(1966-),男,安徽阜阳人,在读工程硕士,工程师,主要研究方向为精密塑性成形新技术新工艺。

FEM Analysis on the Press Frame Design Based on ANSYS

ZH AN G Ru 1,2,L I U Wei 1,ZH A NG Qian -q ian 1,X UE K e -min 1

(1.Scho ol of M ater ials Science and Eng ineering,H efei U niver sity o f T echnolog y,Hefei 230009,China;

2.Fuyang T ong li Industr y Co.,L td.,Fuyang 236000,China)

Abstract:A N SYS F EM softw are w as applied to static analy sis and model ana lysis of the press machine frame wit h tw o de -sign plans.With stat ic analysis,the str ess and the displacement o f the machine frame were obtained,and w ith mo del analysis,nat ur al fr equencies and mode shapes o f the main fr ame w er e presented.It is indicated that the seco nd desig n plan can r educe the material of machine fr ame and the pr oductio n cost under the conditio n of g ua ranteeing the constant int ensity of the machine frame.And the w eig ht of the machine fr ame decreases by 22.6%,w hich achieves a g reat economic benefit.

Key words:machine fr ame;finite element;st at ic analysis;model analy sis

在机械工业中,锻压设备占有极其重要的地位,其发展水平、拥有量和构成比不仅对锻压生产起关键作用,而且在一定程度上反映一个国家的工业水平。当今以至未来的一段时间内曲柄压力机仍是大量生产的体积模锻和板冲车间的主要工艺设备,但在总台数中的相对数量未必会增加。设备的改进、设备的价格决定了有效利用设备的可能性和必要性[1]

。目前压力机的结构设计仍然是传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法,虽然实践证明

具有一定的可靠性,但存在诸多弊端,如设计周期长,机构组件冗余,用材量大,传统设计在材料使用上偏于保守,致使产品比国外同规格产品质量大,成本高,效益低[2-3]。压力机的结构优化设计成为当今一大热点

[4-5]

。有限元法的出现,为大型复杂结

构件的结构分析提供了一种强有力的、精确的分析手段。利用有限元软件对机身进行静态分析,可以校核其强度和刚度。文中以公称压力为160kN 的J23-16.1的压力机机架为研究对象,对2种不同设

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计方案的机架在ANSYS 中进行静态和模态分析,找出最优设计方案,为下阶段的机架优化设计提供参考。

1 第1种设计方案机架有限元分析

机架是压力机中的重要部件,不仅承受整个压力机的重量,且能保持整个压力机在工作时的稳定性。对机架进行结构优化能最大限度地发挥机架各处材料的性能,还能减少耗材,降低成本。对压力机机架的结构优化设计具有较高的理论和实用价值。

1.1 几何模型的建立

第1种设计方案,机架主要尺寸见表1。

表1 机架主要尺寸

Tab le 1 M ain siz e s of machine frame

类别长度高度机架宽度底座宽度壁厚数值/mm

940

670

123

18

10

利用U G 创建有限元模型[6],机架的模型如图1

所示。

图1 机架的三维模型Fig.1 3D model of machine frame

1.2 ANSYS 有限元分析

将三维模型以Par asolid 格式导入ANSYS 软件,对其进行有限元仿真分析。确定压力机机架的最大应力值和应变,分析压力机机架结构参数及选用的材料是否满足使用要求,并以此为基础实现压力机机架的优化设计,其分析过程如下。1.2.1 单元类型的选择

确定单元的类型对于有限元分析至关重要,它

不仅影响模型网格的划分,而且对求解的精度也影响很大。综合考虑机架结构的复杂程度,精度要求,以及计算求解时间等因素。采用实体单元SOL -ID45[7]。

1.2.2 定义材料属性

材料属性是与几何模型无关的本构关系,如弹性模量、密度等。由于机架材料为H T 200。根据 机械设计手册

[8]

灰铸铁的弹性模量E 为113~

157GPa,泊松比 为0.23~0.27,文中取E =120GPa, =0.25,密度 =7250kg/m 3

。1.2.3 网格划分

采用智能网格划分工具SmartSize 。SmartSize 是ANSYS 提供的强大的自动网格划分工具,使用SmartSize 有利于在网格生成的过程中生成形状合理的单元,如图2所示。

图2 有限元网格划分模型Fig.2 F inite element meshing model

1.2.4 施加约束

施加约束对于有限元分析也很重要。边界约束条件的准确度直接影响有限元分析的结果。设置约

束边界条件一般遵循2个原则:施加足够多的约束,保证模型不会产生刚性位移;力求简单直观便于计算分析。文中对机架的所有自由度进行约束。1.2.5 施加载荷

对压力机在最恶劣的工作状况下进行分析,即压力机在满载的条件机架的受力与变形情况。经对机架进行受力分析计算可知,机架受力最大的情况出现在受冲击载荷的瞬间,冲击载荷值为1.1G(1.1为冲击系数,G 为压力机重量)。经过力学分析计算

[9]

,如图1所示1处即滑动轴支撑受6.450kN 的

分布力,2处即轴支撑受力4.406kN,同时考虑机架的自身重力。