25MN快鍛油壓機關鍵部件有限元分析

牛 勇，張營杰，房志遠，范玉林

（中國重型機械研究院股份公司，陜西西安710032）

1 引言

近年來，我國在能源、軍工和交通等重大裝備制造領域發展迅猛，對大型復雜鍛件有很大需求。快鍛油壓機是20 世紀60年代開始發展起來的一種新型鍛壓設備，用于鋼錠開坯和自由鍛件的壓力加工，特別適合合金成分較高材料的鍛造[1-5]。本文研究的25MN 快鍛油壓機采用上傳動預應力框架結構。該結構中，上橫梁、活動橫梁和固定梁受力情況和結構復雜，其設計是否合理對液壓機的整體性能有直接影響。

ABAQUS 被認為是功能最強大的有限元分析軟件之一，可以分析復雜的固體力學、結構力學系統，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題。本文以ABAQUS 有限元分析軟件為平臺，對25MN 快鍛油壓機上橫梁、活動橫梁和固定梁進行了有限元靜力學分析，得出了這些關鍵部件在最大載荷下的應力分布和位移分布，其結果對快鍛油壓機的結構設計和優化具有一定的指導意義。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

采用ABAQUS 軟件建立有限元模型一般包括幾何模型建立、材料屬性定義、網格劃分、分析步建立、邊界條件和載荷確定、計算以及結果處理等。本文采用SolidWorks 軟件建立幾何模型、再導入ABAQUS 中的建模方法。在SolidWorks 中可以方便快捷地建立結構模型，導入ABAQUS 時，利用ABAQUS 的模型修復功能，消除可能存在的自由邊、小平面、小尖角等幾何缺陷，從而得到精確的幾何模型。25MN 快鍛油壓機上橫梁、下橫梁和固定梁三維幾何模型如圖1 所示，三個梁所用材料均為ZG20MnMo，其力學性能如表1 所示。

表1 ZG20MnMo 力學性能

2.2 網格劃分

網格劃分質量的好壞直接影響求解精度和求解時間，不合理的網格甚至會導致求解過程的中斷，所以網格劃分是分析過程中需要重點注意的一個環節。運用ABAQUS 強大而便捷的網格劃分功能，通過在模型上設置全局種子的方法合理地控制網格密度。ABAQUS 提供了數量眾多的單元種類以滿足各種分析類型的需要，本文采用C3D10M 單元，即修正的10 節點二次四面體單元。C3D10M 單元的求解結果較精確，而且非常適用于幾何模型比較復雜的情況。

2.3 邊界約束和載荷的處理

上橫梁幾何模型如圖1a 所示。根據幾何模型和受力狀況的對稱性，取1/4 模型進行有限元計算。根據實際工作情況，在對稱面進行對稱約束，在與拉桿螺母接觸區域進行z 向約束，在與油缸法蘭接觸區域施加油缸作用力，每個側缸載荷為5MN，主缸為15MN，方向都是沿z 向正方向。

活動橫梁幾何模型如圖1b 所示。根據幾何模型和受力狀況的對稱性，取1/4 進行有限元計算。根據實際工作情況，在對稱面進行對稱約束，在鐓粗的區域進行z 向約束，在與油缸法蘭接觸區域施加油缸作用力，每個側缸載荷為5MN，主缸為15MN，方向都是沿z 向負方向。

下橫梁幾何模型如圖1c 所示。由于下梁的模型和載荷不具有對稱性，所以取整體模型進行計算。在與拉桿螺母接觸區域進行z 向約束，在一個支座的邊角區域約束其他自由度，避免計算過程的剛體位移。

3 結果分析與討論

上橫梁應力分布和位移分布云圖如圖2 所示。分析表明，除與螺母接觸區域的邊緣區域外，其他區域應力均小于100MPa，考慮所用材料，零件安全系數≥3，并且應力值大部分為50～80MPa，分布均勻合理。位移最大值為上橫梁中間底部，其值為1.25mm，表明上橫梁設計滿足剛度要求。

活動橫梁應力分布和位移分布云圖如圖3 所示。分析表明，除與上砧墊板接觸的邊緣區域外，其他區域應力均小于100MPa，并且應力值大部分為30～70MPa，分布均勻合理。位移最大值為活動橫梁與油缸接觸部位，其值為0.35mm，表明活動橫梁設計滿足剛度要求。

固定梁應力分布和位移分布云圖如圖4 所示。分析表明，除與螺母接觸區域，其他區域應力均小于100MPa，并且應力值大部分為50～80MPa，應力分布均勻合理。位移最大值為下橫梁中間部位，其值為1.29mm，表明下橫梁設計滿足剛度要求。

4 結論

本文以ABAQUS 有限元分析軟件為平臺，對25MN 快鍛油壓機上橫梁、活動橫梁和固定梁進行了有限元靜力學分析，得出了這些關鍵部件在最大載荷下的應力分布和位移分布。結果表明，三個梁的設計滿足強度和剛度要求。有限元法是液壓機本體結構設計優化的有力工具。

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