熱模鍛壓力機機身聯合有限元分析

杜建偉，孫遠國，宋清玉

熱模鍛壓力機是借助模具實現金屬熱成型的鍛造設備，是現代模鍛車間應用最為廣泛的模鍛設備之一。熱模鍛壓力機剛性好，能承受較大的偏載，鍛件精度高，能較好地控制鍛件高度公差，質量偏差分布穩定，材料利用率及生產率高，易于實現自動化，對工人的操作水平要求低，噪聲和震動小。特別適合于汽車、拖拉機、農業機械、造船、鐵路機車、航空兵器等領域的要求。

熱模鍛壓力機在鍛造過程中承受中心載荷時，其承載零件會產生壓縮、伸長或彎曲變形，承受偏心負荷時滑塊還會發生傾斜。前者直接影響鍛件的厚度尺寸，后者還會使鍛件的分模面產生錯位[1]。為使同一種鍛件獲得較穩定的厚度尺寸和允許的錯位，熱模鍛壓力機必須具有足夠的剛度。

熱模鍛壓力機的機身系封閉框架，它不僅承受在模鍛時所產生的力和力矩，而且是連接和安裝熱模鍛壓力機所有功能機構的基礎，壓力機的工作穩定性，模鍛件的尺寸精度及壓力機的工作可靠性都與機身的剛度和強度直接相關。因此在設計中對機身的剛度和強度進行準確的計算就顯得尤為重要。而對壓機整體剛度和強度進行研究，既可以保證壓機的精度，對各部分強度進行優化，還可以減輕設備重量。

傳統的機身強度與剛度計算方法，是對每個零件單獨計算，無法精確的計算梁的受力情況，對復雜形狀更無法建立準確的數學模型，計算誤差不可控。后來雖然開始應用有限元法進行單件分析，但由于沒有將零件之間的相互作用力等因素考慮進去，結果仍不理想且效率較低。

1 整體聯合有限元分析

本文旨在探索一種整體的計算方法，通過盡最大程度的模擬實際受力情況，以期得到較接近實際的分析結果，為壓力機的設計提供可靠的理論依據。并且利用該方法提高壓力機機身設計和優化的速度，以適應快速發展的技術需要。

該方法基本思路是將上梁、底座、拉緊螺栓、立柱進行有機聯系，并將拉緊螺栓的預緊力因素考慮進去，以模擬實際工作中的受力狀態。

本文以MP型5000 t熱模鍛壓力機的機身為研究對象，通過CAE對其機身進行聯合剛度與強度有限元分析。在分析中加載四種主要載荷，得出整機應力和變形，也可以根據需要顯示單個零件的應力和變形，四種載荷如下：

（1）壓力機受到的預緊力載荷；

（2）工作狀態下上梁的鋼套孔受到的打擊力反作用力；

（3）工作狀態下底座所受由模具傳遞的打擊力；

（4）工作狀態下受偏心載荷作用使滑塊發生傾斜時立柱所受作用力。

2 預緊力載荷

MP型5000 t熱模鍛壓力機的機身為鑄造組合結構，上梁、左、右機身、底座由拉緊螺栓預緊形成一個封閉框架。為保證上梁、立柱和底座在工作時不產生間隙和錯移，除水平方向采用環形定位外，還需要通過對4件拉緊螺栓施加一定預緊力使機身具有一定的預壓縮量。當工作變形力作用在滑塊上時機身的預壓縮量將減小，拉緊螺栓將進一步伸長。由于上梁和底座截面積通常比立柱大很多，且高度相對較小，在設計計算時，上梁和底座的壓縮量可以忽略不計，而只考慮立柱的變形[1]。

（1）預緊力Py，是分析機身預緊時受力和變形情況的加載數據。

根據組合機身受力與變形關系，只有當工作載荷P≤zPg時，立柱與上梁，底座才不會產生間隙（見圖1），zPg（z為預緊系數）即為臨界離縫力，一般z＝1.5～2.0。考慮到解除悶車時，機身受力接近 2Pg，因此取 z=2.0，此時預緊力為[1]、[2]、[3]：

圖1 組合機身受力—變形圖

（2）預緊變形 以力Py預緊后，拉緊螺栓伸長，立柱壓縮分別為：

（3）立柱剛度

式中，Ez—立柱彈性模量，Ez=2.0×105N/mm2；Fz—單個立柱截面積，Fz=3.405×105mm2；m—立柱數，m=2；Lz—立柱長度，Lz=4400 mm。

（4）拉緊螺栓的剛度

式中，El—拉緊螺栓彈性模量，El=2.0×105N/mm2；Fl—單個拉緊螺栓截面積，Fl=1.209 mm2；n—拉緊螺栓數量，n=4；Ll—拉緊螺栓長度，Ll=8300 mm。

（5）拉緊螺栓與立柱剛度比

3 整體強度與剛度分析

三維有限元分析的基本技術路線大致包括以下幾個步驟：

（1）建立有限元模型，包括數學模型的建立、材料屬性的設置、添加單元類型、劃分網格；

（2）施加載荷及邊界條件，包括對接觸、摩擦、對稱、約束和初始條件的處理；

（3）對建立的模型進行求解計算；

（4）對結果進行處理、分析，得出結論。

通過軟件的自動劃分網格功能將模型劃分成有限元網格，對局部網格劃分不合理的地方，在每次計算后進行局部的網格細化，避免由于網格劃分不合理產生應力集中，影響分析結果。最后將模型劃分為506144個節點，302812個單元。

3.1 預緊載荷施加

機身在預緊時只承受拉緊螺栓預緊力。

通過上面計算5000 t熱模鍛的預緊力為7267 t，在此模擬受力狀態，將7267 t載荷分別加載在拉緊螺栓的上部和大螺母的上面（見圖2）。

圖2 載荷施加示意圖

3.2 工作載荷施加

在預緊后的機身模座上施加一個向下的力，大小為公稱力Pg，距中心約為250 mm，面積為一個模具的大小，該力反作用在上梁的鋼套孔上，在孔上也產生一個Pg大小的力，同時由于模鍛時受力為偏心狀態，所以還會產生一個力矩，大小為Pg與偏心距離的乘積，該力矩通過導軌作用在立柱上，計算時可以等效為在立柱導軌位置加上一個大小相等的力，導軌為局部接觸，接觸面積取導軌總長的1/6，滑塊導軌長度為2560 mm，所以加載的力約為1260 t，加載的位置為左側下部，右側上部（見圖2、圖3）。

圖3 有限元模型

3.3 整體分析

經過優化后，機身最大應力為187.7 MPa，位于拉緊螺栓處，而上梁、立柱和底座的整體應力水平很低；底座的最大變形為0.265 mm，剛度約為1/8730，上梁相對于底座最大變形為1.28 mm。對各部件單獨顯示觀察其應力和變形較合理，限于篇幅不做述（見圖4、圖5）。

圖4 應力云圖

圖5 變形云圖

4 結語

實踐證明采用應力分析模塊對整機進行分析，所得到的結果和計算速度是令人滿意的，該方法可以應用于設計研發工作。

[1]李忠民.熱模鍛壓力機 [M],北京:機械工業出版社,1990:2-5.

[2]俞新陸.液壓機 [M],北京:機械工業出版社,1982.7第一版.

[3]于兆卿.63 MN熱模鍛壓力機設計及關鍵技術研究 [D].河北:燕山大學.