锻压机整体结构有限元分析*

刘 刚, 刘 畅, 金高崇, 程欣光, 孙少辰

(1.沈阳特种设备检验研究院，辽宁 沈阳 110035; 2.沈阳黎明法拉航空动力技术工程有限公司，辽宁 沈阳 110043)

锻压机整体结构有限元分析*

刘 刚1, 刘 畅2, 金高崇2, 程欣光2, 孙少辰1

(1.沈阳特种设备检验研究院，辽宁 沈阳 110035; 2.沈阳黎明法拉航空动力技术工程有限公司，辽宁 沈阳 110043)

建立锻压机整体结构有限元模型。通过设置上下预紧螺栓与承压垫圈之间、立柱与上下梁之间以及滑块与立柱之间的间隙，在工作压力为60 MN，并且存在偏心的情况下，采用非对称对阵和增广拉格朗日算法仿真研究了锻压机立柱及上下梁的应力变形情况。仿真结果说明预紧效果一直存在，其强度均符合要求，可保证机械的安全运行。

锻压机结构，有限元模型，应力分析

0 引 言

锻压机是工业基础装备的重要组成部分，在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要工业部门都得到了广泛应用[1]。尤其是在当今我国工业化进程高速发展的时期，对大型和特大型锻件的需求日益增高。

锻压机作为重型机械，其参数的设计计算及工作状态的模拟仿真对其安全可靠性尤为重要。刘跃峰等[2]采用六面体高阶单元建立了巨型模锻压机三维有限元模型，得到了其前六阶固有频率，并且分析了突然卸载时机架的瞬态响应，得到了机架卸载时的变形和应力分布。大型锻压机上横梁结构复杂，为使其强度、刚度满足使用要求，辛宏斌等[3]利用SolidWorks软件模拟器在工作状态的受力状况对上横梁进行应力分析，使上横梁结构设计更合理和安全可靠。段志东等[4]根据广义模块化设计原理，在ANSYS中分别建立了45 MN锻压机机组预紧和机架各个功能模块的有限元模型，分别讨论了空载和临街载荷两种状态下机架的变形和应力分布。锻压机预应力结构机架受力与变形相当复杂，利用常规方法分析与计算有很多局限性，王勇勤等[5]结合三维弹性接触有限元法计算结果，提出了一种改进的计算方法。

从上述各文献中可看出，对于锻压机的研究多集中在对其应力和变形的仿真上，而对其他部位的关注还较少。但在实际工作中，其他部位结构(如立柱，滑块等)也会对锻压机的整体运行产生影响。笔者针对在最严重(偏载工作载荷)工况下的锻压机整体结构，在Workbench中建立其有限元模型，并通过设置预紧螺栓与上下梁的接触间隙值，对锻压机施加预紧力，在接触非线性动力学的基础上，分析锻压机整体的应力应变。

1 整体有限元模型

1.1 整体建模与网格划分

笔者采用在SolidWorks三维软件中建立体锻压机的整体模型见图1所示，然后导入到Workbench中进行网格划分，其中，假设工件在锻压过程中不发生变形，只起到传递力的作用，故将工件设为刚性体。

1.2 接触设置

在Workbench中，装配体之间的接触形式自动默认设置为绑定型，即认为各部件都是一体的。动梁滑块与立柱接触部分有润滑，可将摩擦忽略，不考虑立柱与上下梁的相对滑动。由于要对拉杆压板与上梁、上下梁与立柱、动梁滑块与立柱进行强度校核，所以，把滑块与立柱、拉杆压板与上下梁的接触形式设置为无摩擦的；立柱与上下梁之间的接触形式设为粗糙的，没有错位移动。用非对称对阵和增广拉格朗日法。其他接触部分的形式使用默认的接触形式。

图1 有限元模型

1.3 载荷及边界条件设置

动梁与上梁之间有3个活塞连接，实际工作时，上梁中的液压缸通过活塞向动梁施加压力。笔者由于着重分析锻压机的整体受力情况，故省去液压缸部分，工作状态则直接通过对动梁施加压力来实现。将锻压机的底面的四个地脚螺栓处进行全约束。

1.4 预紧模拟

在对锻压机整体有限元分析时，模拟预紧方式有两种，即采用在上下梁预紧螺栓处加压力的方式进行预紧(以下称为方式1)和采用通过设置侵入间隙的方式进行预紧(以下称为方式2，如图2所示)。方式1是过去几年论文里普遍出现的模拟加载方式，而由于方式1加载点位置有应力集中，并且不能模拟拉杆受拉的情况，所以不能正确反应拉杆的受力变形情况；方式2弥补了方式1的不足与缺陷，通过对上下螺栓设置侵入量来对拉杆施加预紧力。笔者在分析时采用方式2的设置方式，能够更加真实的反应锻压机实际工作的状态。

图2 间隙示意图

对于锻压机拉杆要实现预紧目的，所以要设置正间隙，使拉杆受到拉力，才符合实际工作过程中拉杆的受力情况。

2 有限元分析结果

锻压机的材料参数如表1所列。工作时的公称力为60 MN，3个缸同时工作。由于以往对锻压机的分析多集中在上梁，动梁及下梁的应力和变形分析，而在实际工作中，立柱的变形与受力往往更影响加工工件的精度。因此以下分析主要针对立柱及拉杆的受力情况展开的。

表1 材料特性

2.1 开缝情况

开缝作为判定锻压机工作状态的一个重要指标，在很多文献资料中都讨论过。开缝是锻压机在工作过程中的常见现象，根据不同的实际情况，判定开缝的标准也各不相同。笔者采用的标准是只要开缝不达到键槽处，就判定开缝符合设计要求，开缝情况如图3所示。

图3 梁与立柱开缝情况

可看到上，左上前侧开缝长度是前侧边长的1/4，后侧开缝长度为1/3；右上前侧开缝长度是前侧变长的1/2，后侧开缝长度也为1/2，下梁与立柱未开缝，均没有开缝到键槽处，故认为开缝程度符合标准。

2.2 立柱所受应力情况

图4所示为立柱所受应力云图，图4(a)在立柱上的等效应力数值最大为57.947 MPa，是由网格质量造成的，而周围的最大应力为39 MPa，远远小于屈服极限295 MPa。而由图4(b)可知，左侧立柱上的应力主要为压应力，只有在键槽附近存在拉应力，数值很小，且范围很小。虽然拉应力延伸到了斜面上，但数值很小，不会对立柱造成破坏。而右侧立柱为拉力，说明立柱发生倾斜，导致两侧立柱受力不同。

图4 立柱所受应力云图

2.3 拉杆的主应力与主应变

拉杆的应力主要为拉应力，只有在拉杆的两端位置存在很小的压应力，说明在锻压机工作过程中，拉杆始终处于预紧的状态中，这样就能保证机器的安全使用。直径为240 mm处的拉杆拉应力集中在220 MPa左右，直径为220 mm处的拉杆拉应力在250 MPa左右，远小于拉杆的屈服极限。所以，拉杆是安全可靠的。

2.4 上下梁强度校核

图5所示为上梁所受等效应力与y向主应力，从图中可看到，上梁底由于部受到公称力，而两侧被预紧螺栓限制，所以整体上拱，受压应力较大。而两侧由于预紧螺栓的作用而受压力。最大等效应力为89.569 MPa，满足强度条件。

图5 上梁所受等效应力与y向主应力

图6所示为下梁所受等效应力与y向主应力，从图中可看到，下梁大部分是受压的，由于工件存在偏心，所以下梁所受压力分布并不对称，较大的压力出现在左侧，大约为71.5 MPa，而最大的等效应力为277.5 MPa，为应力集中造成，仍满足强度要求。

图6 下梁所受等效应力与y向主应力

3 结 论

以某厂设计的锻压机为研究对象，利用Workbench软件建立了其整体有限元模型，并根据实际预紧情况，通过设置预紧螺栓与承压垫圈之间的间隙来对锻压机进行预紧，最后模拟了其在工作状态时的响应特征，得出结果。

(1) 通过分析拉杆的受力状况，可看到拉杆在预紧时处于受拉的状态，并且由于设置了两端的预紧间隙，所以拉杆受力平均，不会出现应力集中现象。

(2) 立柱与上下梁的开缝均未开到键槽处，故认为开缝程度满足条件。

(3) 拉杆在工作状态依然受拉力，说明锻压机整体仍然处于预紧状态，可保证锻压机的安全使用。

(4) 上梁主要受拉力，而下梁主要受压力，两者的强度均满足要求。

[1] 骆念武，申 远，竺长安，等. 基于有限元分析的液压机上横梁结构改进设计[J].液压技术, 2009, 34(1): 119-121.

[2] 刘跃峰, 冯翠云, 邹春来. 巨型模锻压机机架有限元动态分析[J].桂林理工大学学报, 2011, 31(2): 292-295.

[3] 辛宏斌，成先飚，董建虎，等. 基于Solidworks的大型锻压机上横梁建模与应力分析[J].重型机械, 2011(3): 62-64.

[4] 段志东，王红鹰. 锻压机预紧组合机架三维有限元分析[J].兰州交通大学学报, 2008, 27(4): 65-67.

[5] 王勇勤，戴文军，严兴春，等. 大型锻压机预紧力结构的受力-变形的研究与分析[J]. 装备, 2008(6): 29-31.

Finite Element Analysis of Integral Structure of Forging Press

LIU Gang1, LIU Chang2, JIN Gao-chong2, CHENG Xin-guang2, SUN Shao-chen1

(1.ShenyangInstituteofSpecialEquipmentInspection&Research,ShenyangLiaoning110035,China;(2.ShenyangLimingFarrarAeroPowerTechniqueEngineeringCo.,Ltd,ShenyangLiaoning110043,China)

Establishment of finite element model of the whole structure of forging press is made . By setting the gap between the up and down pretension bolt and bearing washer, column and the lower beam ， the gap between the slider and the uprights column, while the working pressure is 60MN with the eccentricity, using asymmetric against and augmented Lagrange algorithm to simulate the stress and deformation of column for forging press .The simulation results illustrate the retightening effect always exists, its strength meets the requirements and can guarantee the safe operation of machinery.

structure of forging press; finite element model; stress analysis

2014-01-23

刘 刚(1980-)，男，辽宁辽阳人，工程师，博士，主要从事特种设备型式试验设备研究方面的工作。

孙少辰(1983-)，男，博士，研究方向：工业介质爆炸灾害防治理论、工业装备结构力学分析理论与技术。

TG315

A

1007-4414(2014)02-0052-03