25MN快锻油压机关键部件有限元分析

牛 勇，张营杰，房志远，范玉林

（中国重型机械研究院股份公司，陕西西安710032）

1 引言

近年来，我国在能源、军工和交通等重大装备制造领域发展迅猛，对大型复杂锻件有很大需求。快锻油压机是20 世纪60年代开始发展起来的一种新型锻压设备，用于钢锭开坯和自由锻件的压力加工，特别适合合金成分较高材料的锻造[1-5]。本文研究的25MN 快锻油压机采用上传动预应力框架结构。该结构中，上横梁、活动横梁和固定梁受力情况和结构复杂，其设计是否合理对液压机的整体性能有直接影响。

ABAQUS 被认为是功能最强大的有限元分析软件之一，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题。本文以ABAQUS 有限元分析软件为平台，对25MN 快锻油压机上横梁、活动横梁和固定梁进行了有限元静力学分析，得出了这些关键部件在最大载荷下的应力分布和位移分布，其结果对快锻油压机的结构设计和优化具有一定的指导意义。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型的建立

采用ABAQUS 软件建立有限元模型一般包括几何模型建立、材料属性定义、网格划分、分析步建立、边界条件和载荷确定、计算以及结果处理等。本文采用SolidWorks 软件建立几何模型、再导入ABAQUS 中的建模方法。在SolidWorks 中可以方便快捷地建立结构模型，导入ABAQUS 时，利用ABAQUS 的模型修复功能，消除可能存在的自由边、小平面、小尖角等几何缺陷，从而得到精确的几何模型。25MN 快锻油压机上横梁、下横梁和固定梁三维几何模型如图1 所示，三个梁所用材料均为ZG20MnMo，其力学性能如表1 所示。

表1 ZG20MnMo 力学性能

2.2 网格划分

网格划分质量的好坏直接影响求解精度和求解时间，不合理的网格甚至会导致求解过程的中断，所以网格划分是分析过程中需要重点注意的一个环节。运用ABAQUS 强大而便捷的网格划分功能，通过在模型上设置全局种子的方法合理地控制网格密度。ABAQUS 提供了数量众多的单元种类以满足各种分析类型的需要，本文采用C3D10M 单元，即修正的10 节点二次四面体单元。C3D10M 单元的求解结果较精确，而且非常适用于几何模型比较复杂的情况。

2.3 边界约束和载荷的处理

上横梁几何模型如图1a 所示。根据几何模型和受力状况的对称性，取1/4 模型进行有限元计算。根据实际工作情况，在对称面进行对称约束，在与拉杆螺母接触区域进行z 向约束，在与油缸法兰接触区域施加油缸作用力，每个侧缸载荷为5MN，主缸为15MN，方向都是沿z 向正方向。

活动横梁几何模型如图1b 所示。根据几何模型和受力状况的对称性，取1/4 进行有限元计算。根据实际工作情况，在对称面进行对称约束，在镦粗的区域进行z 向约束，在与油缸法兰接触区域施加油缸作用力，每个侧缸载荷为5MN，主缸为15MN，方向都是沿z 向负方向。

下横梁几何模型如图1c 所示。由于下梁的模型和载荷不具有对称性，所以取整体模型进行计算。在与拉杆螺母接触区域进行z 向约束，在一个支座的边角区域约束其他自由度，避免计算过程的刚体位移。

3 结果分析与讨论

上横梁应力分布和位移分布云图如图2 所示。分析表明，除与螺母接触区域的边缘区域外，其他区域应力均小于100MPa，考虑所用材料，零件安全系数≥3，并且应力值大部分为50～80MPa，分布均匀合理。位移最大值为上横梁中间底部，其值为1.25mm，表明上横梁设计满足刚度要求。

活动横梁应力分布和位移分布云图如图3 所示。分析表明，除与上砧垫板接触的边缘区域外，其他区域应力均小于100MPa，并且应力值大部分为30～70MPa，分布均匀合理。位移最大值为活动横梁与油缸接触部位，其值为0.35mm，表明活动横梁设计满足刚度要求。

固定梁应力分布和位移分布云图如图4 所示。分析表明，除与螺母接触区域，其他区域应力均小于100MPa，并且应力值大部分为50～80MPa，应力分布均匀合理。位移最大值为下横梁中间部位，其值为1.29mm，表明下横梁设计满足刚度要求。

4 结论

本文以ABAQUS 有限元分析软件为平台，对25MN 快锻油压机上横梁、活动横梁和固定梁进行了有限元静力学分析，得出了这些关键部件在最大载荷下的应力分布和位移分布。结果表明，三个梁的设计满足强度和刚度要求。有限元法是液压机本体结构设计优化的有力工具。

[1]蔡 墉.我国自由锻液压机和大型锻件生产的发展历程.大型铸锻件，2007，（1）：37-44.

[2]范玉林，张营杰，卫凌云，等.45/50MN 快锻油压机液压系统设计分析.锻压装备与制造技术，2011，46（5）：49-51.

[3]徐宇谨，韩大卫，黄 新，等.快速锻造油压机组主机结构形式与选型.重型机械，2004，（6）：45-47.

[4]李贵闪，何晓燕，荣兆杰.我国液压机行业的现状及发展.锻压装备与制造技术，2006，41（4）：17-19.

[5]翟富刚，张 庆，王建军，等.20MN 快锻液压机关键部件有限元分析.锻压装备与制造技术，2007，42（6）：27-29.