YJK14-5000自由锻造液压机整机有限元分析

重庆江东机械有限责任公司 吴秀英 杨 芳

YJK14-5000自由锻造液压机整机有限元分析

重庆江东机械有限责任公司 吴秀英 杨 芳

【摘要】自由锻造液压机适用于金属材料自由锻造的各种工艺，主要用来将钢坯拔长、 墩粗、冲孔、马杠扩孔、错移、粗转、切割、弯曲等。其较好的刚性、强度、抗偏载能力和灵活的辅助搭配方式使其在锻压行业中得到广泛的应用。本文通过对YJK14-5000压机的有限元分析，旨在了解在满载荷时，整机应力应变分布、变形位移分布（包括偏载）。从而对液压机的结构设计给出指导性建议。

【关键词】自由锻造压机；有限元分析

1 分析说明

1.1 分析类型

满载荷时，整机及部件应力应变分布、变形位移分布（包括偏载）。

1.2 计算模型简化规则

按照实际工况最优简化（满载何时最佳受力状态简化模型），即：对分析计算无关或影响较小的部分采用简化或省略处理。

1.3 视频输出

1）应力变化过程（强度，初步判断载荷工况）；

2）位移变化过程（检验载荷工况与位移变化是否相符）；

3）振动模态过程。

2 三维建模及模型简化

三维模型简化中，去掉了对分析影响较小的起吊孔、螺钉孔、定位键槽、密封件、距离受载荷区较远处的辅助部分，但受载较大或强预紧螺钉、承力键等必须保留。整机建模图形如图1所示。

图1 整机简化模型

各零部件严格按照设计尺寸建模，但绘制有分析时所需的参考边、线、面等；整机装配时，有螺钉连接的部件，省略掉螺钉，采用面与面刚性连接。运动部件按照真实工况运动自由度约束。

3 有限分析前处理

3.1 材料属性

1）ZG270—500：上横梁、活动横梁、下横梁、工作台、上砧和立柱。室温下的力学性能屈服强度270MPa，抗拉强度500MPa。弹性模量：202Gpa；泊松比：0.3；

2）30CrNiMo8V：拉杆。屈服强度835MPa，抗拉强度980MPa。弹性模量：206 Gpa；泊松比：0.25—0.3；

3）20MnMo：液压缸。抗拉强度470MPa，屈服强度275MPa。弹性模量206 GPa；泊松比0.3；

4）42CrMo4：柱塞杆。抗拉强度σb（MPa）：≥1080（110）；屈服强度σs（MPa）：≥930（95），许用应力186～310/MPa，屈服930σs/MPa，42CrMo4强度、淬透性高，韧性好，淬火时变形小，高温时有高的蠕变强度和持久度。弹性模量：210Gpa，泊松比：0.3；

5）45钢：工件。弹性模量：196-210 Gpa，泊松比：0.269，密度7850Kg/m3；

6）18MnMo：立柱。弹性模量206 GPa；泊松比0.3；

7）Q235-A：地基底座。弹性模量210GPa；泊松比0.3。

在计算瞬时模态动态分析时，将所有材料的阻尼的质量矩阵系数设为3，阻尼的刚度矩阵系数设为0。

3.2 接触属性

1）第一类接触

面与面直接接触、如：螺钉连接的两个几何面接触（螺钉不受剪切力）、施加预应力的几何面接触等。在该分析中，此类接触的两几何面受正应力，在受载时几何面无分离，分析中都简化为硬接触。

2）第二类接触

两几何面之间主要受剪切作用的影响，如：螺钉连接（受剪），有限滑动、材料流动等。在该分析中，当偏载时，滑块导轨板与调整块接触副之间沿行程方向位移较小，且受垂直与行程方向载荷，分析中将摩擦系数设为0；在所有的接触副中（除油缸、导轨板等受剪情况外），只要在整个工况中两接触面没有分离，分析中将两接触副作有限绑定。

3）在对工作台推力油缸做动态分析时，考虑了工作台对垫板的摩擦系数（库伦摩擦），摩擦系数μ=0.15（钢对铸铁）。

3.3 分析步骤

该模型机体体积大、结构复杂、各部分受载差距较大且为重载。为提高分析精度，采用三个分析步计算：第一分析步：建立起初始接触；第二分析步：加载运算（建立预紧力）；第三分析步：持续加载运算（预紧力随载荷自动调整）。

在做模态分析时，特征值阶数为20阶。

3.4 边界条件

实际安装固定处，全约束（与地基钢板连接处）；运动部件及运动副之间遵循实际工况施加约束。

1）载荷计算

公称载荷N（KN），压力P（MPa），中主缸N1，P1，侧主缸N2，P2，总载荷N。

当载荷为5000t时，计算如下：

N= N1+2N2=17000+17000X2=51000KN； P1=19.25 MPa，P2=19.25 MPa

当载荷为8000t时，计算如下：

N= N1+2N2=26650+26650X2=79950KN； P1=30.80 MPa，P2=30.80 MPa

2）预紧载荷（液压预紧螺母载荷）

立柱拉杆，预紧系数2，每一个拉杆预紧时，液压螺母加载为40000kN；下拉杆，每一根拉杆液压螺母预紧力为12000 kN；上拉杆，每一根拉杆液压螺母预紧力为3800 kN。

为提高计算精度和加快迭代收敛速度，计算时分两步加载：初始载荷中主缸和侧主缸均为0.1MPa，待压力建立起后，逐步升至满载和，模型中的接触类型为第一类和第二类接触。

3.5 网格

该模型结构较复杂，需分部分划分网格，受载小且远离关键区域采用线性的粗糙网格，即：C3D4H型网格；应力集中区域和重载及关键区域以节点应力作为分析指标应采用六面体二次减缩积分单元（C3D20R）或六面体完全积分单元（C3D20）。

此次分析中，整个模型的网格没有大的扭曲，使用非协调单元（C8D8I），可用较小的计算代价得到较高的精度，为了减小‘体积自锁’趋势和‘沙漏’现象，接触区域采用细化的六面体一次网格，即：C3D8IH型网格。

3.6 求解器及运算类型

1）standard static，General，通用静应力分析；

图2 整机模态云纹图

图3 整机瞬时模态动态计算

图4 整机应力分布云纹图

图5 整机位移云纹图

2）工作台推力油缸采用standard static，General，非线性分析；

3）静模态分析采用linear perturbation，Frequency；

4）瞬时模态动态分析时，在静模态后插入动态响应分析步：modal dynamics。

3.7 后处理（油缸分析不输出）

4 结果及结论（显示效果放大10倍）

4.1 整机模态计算与验证，如图2所示。

根据计算，整机圆频率为20.8Hz，最大振幅为1.2mm。

4.2 整机瞬时模态动态计算与验证，如图3所示。

根据计算，整机圆频率为24Hz，最大振幅为1.3mm。

4.3 整机应力分析云纹图

当载荷为50000kN时，应力及位移分布，如图4、图5所示。

根据计算，整机竖直方向上最大位移为：2.4mm。

5 结论

本文只讨论了机架的有限元分析，根据计算结果，YJK14-5000自由锻造液压机，结构基本合理，整体性能满足设计要求。采用这种设计方法，对本机的其它部件进行有限元分析，发现仍有许多地方需要改进和优化（减重和尺寸优化），为降低成本和改善生产提供了有效的理论依据和基础数据。

参考文献

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［5］侯晓望，童水光.基于有限元分析的液压机结构优化［J］.重型机械，2005（4）.