基于ANSYS的大型压力机机身结构分析与改进设计*

韦源源，刘子越，李 柱，仲太生，龚俊杰

(1.扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127；2.江苏扬力集团有限公司，江苏 扬州 225127)

0 引言

在如今快速发展的锻压机械行业中，压力机是其重要的组成部分，压力机按照吨位分为[1-3]：①小型压力机，公称压力在100 t以下；②中型压力机，公称压力在100 t～300 t之间；③大型压力机，公称压力大于300 t。大型压力机在长时间的运作中，各部位的受力情况都会发生变化，为了能使大型压力机机身在长时间的使用过程中强度和刚度都在许用范围内，需要对压力机机身结构进行分析。

目前各大厂家对大型压力机安全性的要求越来越高，同时对大型压力机的轻量化设计也越来越重视。本文利用有限元分析软件对某型号的大型压力机机身进行分析计算，了解机身的强度和刚度。同时，在实际工作状态下，对压力机机身进行试验，验证有限元计算的准确性，在此基础上，对机身进行改进设计，以降低大型压力机的成本，实现轻量化的要求[4-7]。

1 压力机机身有限元分析的前处理

1.1 压力机机身模型的建立和接触设置

使用SolidWorks软件建立大型压力机的三维模型并进行简化，填补一些工艺孔、螺栓孔，将简化后的模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中进行后续的分析计算。该大型压力机机身包括横梁、螺栓、立柱、工作台、底座5个部分，其三维模型如图1所示。该压力机横梁、滑块、底座及立柱的材质为Q235结构钢，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3；螺栓和工作台的材质为合金钢，其弹性模量为210 GPa,泊松比为0.29。由于压力机机身的各部分之间都是采用焊接连接，因此各接触面之间的接触属性均采用Bonded(绑定)。

1.2 压力机机身模型的网格划分

网格划分是有限元计算中的重要部分，网格的细分程度直接影响到计算结果的准确度。理论上，网格划分是越细越好，但网格划分得越细，计算难度也越大，根据ANSYS Workbench中的智能划分网格的方式划分网格后的模型如图2所示，单元大小为50 mm，总共有252 605个节点、858 095个单元。

图1 大型压力机三维模型 图2 压力机网格划分结果

1.3 压力机机身模型的约束和载荷施加

根据压力机实际工作中的情况进行载荷和约束的施加，将压力机与地面接触的底部施加固定约束，限制其6个方向的自由度。压力机在实际工作中载荷是复杂的，本次测试是研究均布载荷对压力机的影响。压力机工作台加载区域面积为800×1 666.67 mm2，根据压力机生产过程中实际所承受的载荷，对压力机施加4.074×106N的均布载荷，即均布载荷大小为0.728 8 MPa。因为压力机中螺栓的力也不可避免，所以要对螺栓进行预紧，对4个螺栓所施加的预紧力分别为3.815×106N。压力机载荷施加如图3所示 。

2 压力机机身有限元分析结果

2.1 压力机机身整体应力分布

使用ANSYS Workbench软件对导入的模型进行应力和位移计算，得到压力机整体应力分布云图如图4所示。由图4可知：最大应力为331.54 MPa，发生在立柱和横梁的接触处，该处存在局部应力集中；忽略应力集中的部分，最大应力为182.59 MPa，发生在螺栓与螺母的连接处；其余部分的应力如表1所示。由材料的属性可知，压力机机身整体应力较小，符合强度要求。

图3 压力机载荷施加

图 4 压力机整体应力云图

表 1 压力机机身其余部分应力计算结果

2.2 压力机机身整体位移

压力机机身的位移云图如图5所示，最大位移为0.606 87 mm，发生在横梁上。压力机横梁上的位移较小，其他部位的位移也较小，满足刚度要求。由于该压力机在设计时保留了较大的安全余量，而最大位移也较小，因此可以对压力机机身进行适当的改进，以满足其轻量化的要求。

图5 压力机整体位移云图

3 压力机机身计算结果和测试结果对比

为了验证有限元计算结果的准确性，在这台压力机的立柱、螺栓、工作台上分别布置3个测点，贴上电阻应变片，再在压力机上施加相同的载荷，通过应变仪测得压力机上这3个点的应变和横梁的位移。有限元计算结果与测试结果对比如表2所示。

由表2可以看出:对比测试结果，有限元分析误差在5%以内，说明有限元分析的结果是基本正确的。在此基础上可进一步对压力机机身进行改进设计。

4 压力机机身整体的改进设计

由上述计算结果可以看出，该压力机机身的整体应力小于材料的许用应力，最大位移也在材料的许用范围之内，且有较大的安全余量。为了使压力机机身成本降低，满足轻量化的要求，对压力机机身的结构进行适当的修改：

(1) 将横梁上顶面面板的厚度由140 mm改成120 mm，横梁前、后面板的厚度由100 mm改为80 mm。

(2) 将压力机4个立柱的厚度削减10 mm。

对改进后的压力机机身模型重新进行有限元分析，计算结果如表3所示。

表2 有限元计算结果与测试结果对比

表3 优化前、后压力机机身有限元计算结果

由表3可以看出:压力机机身在改进之后整体应力和位移略微增加，但都在安全范围之内，符合强度和刚度的要求。同时，压力机机身的质量有所减小，成本也相应地降低。

5 结语

本文通过对大型压力机机身进行有限元分析，得出其应力和位移的分布。之后通过实验测试验证了有限元分析的准确性，再根据实际情况，对压力机机身提出优化方案。根据优化后模型的有限元分析，可以看出在满足强度和刚度的前提下，压力机机身的质量大大减小，满足了轻量化要求。