基于ANSYS的井、米字型液压压力矫直机主机机体的比较分析

兰加标 ，傅波 ，王文亚 ，刘德江，卫平

（1.四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065；2.成都莱克冶金机械设备制造有限公司，成都 610041）

1 引言

液压压力矫直机是棒材生产过程中广泛采用的一种矫直设备。它采用“三点”矫直的原理，将棒材支承在两个活动支点（砧座）之间，然后用液压压头对准最弯部位进行反向压弯，当压弯量与工件弹复量相等时，压头撤回后棒材的弯曲部位变直，从而达到矫直的目的［1］。矫直机主机是矫直执行设备，其上安放有矫直用液压缸和砧座，其机体通过地脚螺栓固定在地基上，如图1 所示。矫直时，主机机体和地脚螺栓承受着矫直反作用力。如果机体结构设计不合理，刚度达不到要求，机体将会出现应力集中和较大的变形，从而影响主机的寿命和棒材的加工精度。由于主机机体的制造成本很高，因此在制造之前，对机体结构设计的合理性进行分析就显得非常重要。在前期的研究中，我们对主机机体的结构进行了有限元分析［2］，为结构优化打下了基础。本文针对井字型和米字型两种主机机体结构类型，运用ANSYS Workbench 对结构的应力分布和变形进行分析，确定了合理的主机机体结构形式，为液压压力矫直机的设计制造提供参考。

图1 主机机体与地基联接简图

2 主机机体、地脚螺栓和地基装配体有限元模型的建立

2.1 三维实体建模及网格划分

图2 井字型底板结构

图3 米字型底板结构

井字型底板和米字型底板两种主机机体结构分别如图2 和图3 所示。机体 长 4670mm，宽2740mm，高2150mm。采用三维CAD设计软件SolidWorks 建立矫直机主机机体、地脚螺栓与混凝土地基的实体模型，然后导入到ANSYS Workbench中。采用自动网格划分，单元尺寸设置为0.1m，得到201842个节点、99913 单元［4］。装配体网格模型如图4 所示。表1 给出了装配体材料性能参数。

2.2 约束与载荷处理

图4 矫直机主机机体、地脚螺栓与混凝土地基有限元网格模型

表1 装配体材料性能参数

2.2.1 约束处理如图1 所示，20个预埋在混凝土地基上的地脚螺栓将矫直机主机机体紧紧地固定在地基上面。地脚螺栓埋在混凝土中，地脚螺栓与地基之间的接触，采用绑定（Bonded）类型；主机机体底面与混凝土地基之间的接触，采用摩擦（Frictional）类型，摩擦系数设置0.2；螺母与主机机体之间的接触，采用摩擦（Frictional）类型，摩擦系数设置0.2；螺母与地脚螺栓之间的接触，采用绑定（Bonded）类型。混凝土地基下表面完全约束，添加固定支撑。

2.2.2 载荷施加

主机机体两砧座之间的距离为500～2500mm，分析时取砧座距离为2500mm。每个砧座表面施加6.67MN的力，方向垂直于砧座表面向里。主液压缸顶出头端面施加13.34MN的力，方向垂直表面向里。地脚螺栓施加1MN的预紧力。主机机体载荷施加如图5 所示。整个模型施加载荷和约束后的模型如图6 所示。

图5 主机机体载荷施加示意图

图6 施加载荷和约束后的模型

3 井字型和米字型主机机体结构的强度和刚度分析

3.1 井字型底板主机机体强度和刚度分析

当砧座之间的跨度为最大时（2500mm），进行有限元计算，主机机体、地脚螺栓与混凝土地基装配体的应力和总变形分布云图如图7 和图8 所示。从图中可以看出，最大应力集中在螺母上，为1043.5MPa；主机机体较为薄弱处应力为322.7MPa；地脚螺栓受到的最大应力为413.4MPa。最大总变形量出现在砧座上边缘，为3.8mm。

图7 井字型底板装配体应力分布云图

图8 井字型底板装配体总变形分布云图

3.2 米字型底板主机机体强度和刚度分析

压力矫直机主机机体上砧座之间的距离最大时（2500mm），执行有限元计算，装配体模型的应力和总变形分布云图如图9 和图10 所示。最大应力主要集中在螺母，为885.8MPa；主机机体较为薄弱处应力为360.9MPa；地脚螺栓受到的最大应力为334.4MPa 左右。最大总变形量出现在砧座上边缘，为4.2mm。

图9 米字型底板装配体应力分布云图

图10 米字型底板装配体总变形分布云图

3.3 两种主机机体结构的对比分析

井字型和米字型主机机体在载荷和约束条件都一致的情况下，最大应力都分布在螺母上。井字型结构的最大应力为1043.5MPa，米字型结构的最大应力为885.8MPa。对于主机机体自身而言，其受到的最大应力，井字型结构为322.7MPa，米字型结构为360.9MPa。地脚螺栓受到的最大应力，井字型结构为413.4MPa，米字型结构为334.4MPa。最大总变形量都出现在砧座的上边缘，井字型结构为3.8mm，米字型结构为4.2mm。

主机机体材料抗拉强度在470～630MPa 之间，地脚螺栓的抗拉强度在600～800MPa 之间，螺母的抗拉强度在800～900MPa 之间。从有限元分析的结果可以看出，两种结构主机机体的强度满足要求；井字型结构的螺母受到的最大应力超出了螺母的抗拉强度，米字型结构的螺母满足抗拉强度的要求；米字型结构的地脚螺栓受到的应力总体比井字型结构小；两种结构机体的总变形量相差不大。考虑各个主要零件的强度，米字型底板的主机机体结构比井字型底板的主机机体结构更为合理。

4 结语

本文运用SolidWorks 与ANSYS Workbench 软件实现设计-仿真的同步协同，对井字型和米字型底板结构的液压压力矫直机主机机体、地脚螺栓与混凝土地基装配体进行了有限元分析。通过对比分析两种结构类型中相同零件的强度和刚度，并综合考虑其他相关因素，得出了井字型底板的主机机体比米字型底板的主机机体更加合理的结论。根据本文研究结果制造的井字型机体压力矫直机目前已在工厂使用，该机工作动作平稳，钢棒矫直精度满足要求。本文的分析方法和分析结果可为类似的压力矫直机结构设计提供参考。

［1］崔甫.矫直原理与矫直机械［M］.北京：冶金工业出版社，2002.

［2］梅若愚，傅波.基于ANSYS的15MN 液压压力矫直机主机机体的有限元分析［J］.机械工程师，2011（2）：83-85.

［3］梅若愚，傅波.基于ANSYS Workbench的分体式压力矫直机主机机体结构优化［J］.液压与气动，2012（3）：66-68.

［4］汪宇，王东方.基于AWE的立式加工中心床身优化设计［J］.微计算机信息，2010，26（1）：130-131.