预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析

预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析

彭俊斌1, 2颜永年1, 2张人佶1, 2林峰1, 2

(1. 清华大学机械工程系北京 100084；

2. 清华大学先进成形教育部重点实验室北京 100084)

摘要：分析了预应力钢丝缠绕机架坎合梁的承载原理和影响其承载能力的因素。采用Patran/Marc有限元软件，分析了加载载荷和剖分界面抗剪系数对钢丝缠绕预应力机架中的坎合梁整体性的影响。进行350 MN涡轮盘模锻液压机模型对比试验。数值模拟和模型试验结果一致，表明当梁的剖分界面不采取坎合处理，完全靠自然摩擦保持其完整性时，机架在预紧状态能保持很好的完整性，但在合成状态，会产生错移；当剖分面经过坎合处理后，界面抗错移能力大大提高，机架在最大工作载荷下依然能够保持很好的完整性。

关键词：预应力坎合梁坎合系数

中文分类号：TU378

0 前言

在20世纪70年代中后期，瑞典ASEA公司、前苏联和我国相继开展了钢丝或钢带缠绕预应力结构的研究。钢丝缠绕预应力结构就是用高强度钢丝将上下梁和立柱缠绕、预紧，构成液压机的承载框架。上世纪90年代利用钢丝缠绕预应力技术我国还自行设计制造了50 MN至400 MN板式换热器液压机130余台。至今全国各种钢丝缠绕材料成形压机投放市场共达1 000台套左右。

在重型模锻液压机上，上下梁重量大、体积大，整体制造需要很强的铸锻能力，且质量风险大，成本高，在运输、吊装方面的难度也不可忽视。为此清华大学机械系在设计350 MN航空涡轮盘模锻液压机和360 MN钢管垂直挤压机时，都对上下梁进行了剖分，采用预应力坎合梁的形式。

图1 钢丝预应力坎合机架

钢丝缠绕预应力坎合梁机架是在原有缠绕结构的基础上演变出来的一种新式结构。它是运用预应力坎合连接的新技术，将超大、超重且难于制造加工的上下梁分为4块，以降低其加工、制造、运输等难度。例如：350 MN压机1：10模型结构如图1所示，将半圆梁分成1、2、3、4四块，1、2、3组成拱形梁，4则为小半圆梁。

1 坎合梁承载原理分析

坎合梁是基于预应力坎合连接的原理的一种新型结构梁。预应力坎合连接就是用预应力场将经过坎合处理后的剖分间组合成具有承载能力的整体件。

预应力坎合连接具有较强的抗错移能力，其本质上是通过多峰结构的互相嵌入来实现的。小尺度之多峰结构的嵌入抗错移能力很有限，在机械设计中运用较少，这种情况即普通机加工表面的自然摩擦(简称自然摩擦)。大尺度多峰的嵌入，即机械抗剪结构能够产生较大的抗错移抗剪能力，但容易产生应力集中，在疲劳载荷下容易形成裂纹，造成破坏[1]。

坎合梁机架和普通的预紧机架一样需要承受两种力学状态：预紧状态、合成状态。在预紧状态下，坎合面沿切线方向的压力F很大(图2)，坎合面不会产生错动；在合成状态下，随着工作载荷的不断加大，坎合面沿切线方向的压应力F逐渐变小，坎合面较容易发生错动。要使梁在承载时保持其完整性就需要有在界面有足够的抗错移能力。

提高抗错移能力可通过增大界面间正压力或提高界面抗剪系数(即界面最大抗错移力和界面正压力的比值)达到。正压力随着钢丝预紧力的增大而增大，但过大的预紧力，会造成机架在预紧状态下产生破坏和制造成本的提高，在工程实际中预紧系数一般选取在1～2范围内。靠正压力的增大来提高抗

错移能力范围有限，还须提高界面的抗剪系数。

图2 坎合梁坎合界面切向压应力示意图

抗剪系数在只用自然摩擦抗错移时是摩擦系数，在使用坎合连接时则是坎合系数。自然摩擦系

数/P F μ=；

坎合连接的坎合系数/P F λ=。其中，P 为界面最大抗错移力，F 为界面正压力。自然摩擦系数对于普通钢材在一般在0.2以下，提高很困难，需要较为苛刻的条件；坎合系数则可以通过改变坎合界面的表面结构达到0.8，甚至更大，用坎合连接的方法方法，可使坎合梁的抗错移能力得到很大的提高，以满足坎合梁在承载时的完整性。

2 坎合梁机架的有限元建模

钢丝缠绕机架存在三种力学状态：预紧状态、工作状态、合成状态，只有两个独立状态。

本文采用Patran/Marc 对350 MN 模锻液压机1：10模型坎合梁机架的预紧状态和合成状态进行分析，研究预紧系数、坎合系数以及偏载对坎合梁整体性的影响。 2.1 几何建模

钢丝缠绕机架具有几何对称性，在研究中心载荷的影响时，可采用1/4模型进行分析；在研究左右偏载时，载荷在左右方向不对称，可采用1/2模型进行分析，如图3所示。由于坎合系数和摩擦系数都为抗错移力与正压力的比值，在本有限元计算中不考虑坎合系数与摩擦系数原理的差别，都用摩

擦系数代替坎合系数进行分析。分析中，梁和柱以及梁的剖分界面都设置为不穿透接触，可以模拟机架在加载时的错移情况。

图3 钢丝缠绕机架的1/2模型

2.2 预紧状态边界条件

模型中假设所有钢丝均匀受拉，则预紧状态钢

丝所受拉应力为682 MPa ，预紧总吨位应为4.5 MN 。

在模型中将所有钢丝简化成一条钢带，采用对钢带进行降温冷缩的方法，得到预紧力。即让钢带从一个较高温度降至设定的较低温度，调整钢丝材料的热膨胀系数，得到需要的预紧力。文中设置钢丝从100 ℃降至0 ℃，调整钢丝的热膨胀系数，最后得到设计的预紧力。 2.3 合成状态边界条件

合成状态就是在预紧机架（包括钢带）的上下半圆梁上沿垂直方向进行加载。采用均匀压力加载，如图4所示，使得加载载荷达到所需吨位,考虑到压机存在一定超载功能，文中加载最大载荷为 4.08 MN

，相当于超载17%。

图4 合成状态均匀压力加载示意图

3 有限元结果分析

3.1 预紧状态

通过降温处理使得钢丝在沿立柱方向上产生了681 MPa 的拉应力，此时总预紧力为4.5 MN 。

在同样的条件下，将梁的剖分面的坎合系数从