5000kN 雙梁式復(fù)合材料液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元仿真

秦永紅，嚴(yán)建文，，董 娜，李貴閃，劉 瓊，楊 晨，王海明

（1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引言

目前，復(fù)合材料的模壓工藝均采用三梁四柱結(jié)構(gòu)液壓機，不僅制作成本高、結(jié)構(gòu)冗余、總高度過高、抗偏載系統(tǒng)薄弱或未設(shè)有抗偏載系統(tǒng)，使壓制出的零件厚度不均勻。國內(nèi)雙梁結(jié)構(gòu)液壓機的研發(fā)處于新興階段，尚未涉及到活動橫梁高度調(diào)節(jié)問題，使壓機無法適應(yīng)復(fù)合材料模壓工藝生產(chǎn)線模具高度不同需要活動橫梁壓制高度不同的情況。

本文根據(jù)復(fù)合材料壓制工藝特性，設(shè)計一種雙梁四柱的新型液壓機結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)活動橫梁能配合不同模具高度調(diào)節(jié)位置，具有上下兩個抗偏載系統(tǒng)。

1 雙梁液壓機結(jié)構(gòu)

1.1 液壓機主要技術(shù)參數(shù)

雙梁液壓機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 雙梁四柱液壓機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 雙梁液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，整機主要由活動橫梁、底梁、柵格立柱、工作缸、調(diào)平缸、柱塞推梁缸、安全鎖定裝置、導(dǎo)向系統(tǒng)、壓縮工作臺等重要部件組成[1]。機身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。其中整體框架不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料液壓機在于滿足液壓機強度、剛度要求的情況下，簡化掉上橫梁結(jié)構(gòu)。該液壓機以立柱作為連接機架，四根立柱的頂部共同安裝有活動橫梁，活動橫梁與四根立柱的交匯處均設(shè)有安全鎖定裝置，底梁的中部固定連接有主油缸，底梁上位于主油缸的四周兩兩對稱固定連接有四個調(diào)平油缸。通過設(shè)置對活動橫梁位置進(jìn)行精確鎖定和解鎖的安全鎖定裝置，在對活動橫梁高度進(jìn)行調(diào)節(jié)前后，受控將活動橫梁解鎖與鎖定，使得本裝置能夠適應(yīng)不同高度的模具，安全鎖定裝置柵格鎖定與雙楔形導(dǎo)向套配合精確控制活動橫梁的平衡度與底梁上四缸調(diào)平系統(tǒng)共同組成雙抗偏載系統(tǒng)，使得壓制出的零件更為精密。工作油缸推動模具向上移動，與活動橫梁上模塊合模、鎖模從而實現(xiàn)工件模壓成形。

圖1 雙梁四柱液壓機結(jié)構(gòu)模型

1.3 模型的建立與簡化

雙梁四柱式液壓機各組成部件全部按照實際設(shè)計的實體模型建立。但機身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在Ansys中難以進(jìn)行分析處理，所以需要對液壓機機身進(jìn)行簡化處理：①由于整個液壓機除了油缸與立柱，底梁、滑塊、壓縮工作臺均為鋼板焊接而成，因此分析前對鋼板進(jìn)行固連處理；②為了減小網(wǎng)格劃分的難度，提高計算時的收斂性，將一些螺栓及螺栓孔簡化掉，以及立柱上的柵格簡化成平面[2]為了提高計算效率、將橫梁上的夾具、模具、油缸及工件、工作臺均簡化掉，根據(jù)機架的實際工況施加約束、劃分單元。簡化后的網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 雙梁四柱液壓機簡化模型

1.4 材料的設(shè)置

機身結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，橫梁均為Q235結(jié)構(gòu)鋼，立柱材料為45 鋼，滿足設(shè)備受力需求。所有結(jié)構(gòu)件焊后進(jìn)行高溫退火去應(yīng)力處理[3]。有限元分析所需的材料參數(shù)如表2 所示。

表2 雙梁液壓機的材料參數(shù)

取安全系數(shù)為1.5，則Q235 鋼的許用應(yīng)力為156MPa，45 鋼的許用應(yīng)力為223MPa。

2 滿載工況下模型結(jié)構(gòu)分析

2.1 約束的設(shè)置與載荷的施加

導(dǎo)入Workbench 的裝配體自動生成固定接觸，然后再修改接觸類型，將底梁的上下表面與螺母以及立柱接觸設(shè)為固定接觸。本模型采用網(wǎng)格自動劃分。液壓機的主油缸固定在機身底梁的缸孔中，液壓機處于工作狀態(tài)時，由于主油缸內(nèi)壓作用，并通過力的傳遞使工作臺受到均勻向上的作用力。實際中，通常將壓力機的底面部分固定于地面上。所以在模擬過程中，將在機身的四個地腳螺栓孔處添加固定約束[4]。對液壓機滿載時的工況進(jìn)行分析，滿載工況下的液壓機的載荷為5000kN 此時邊界與載荷施加情況如圖3 所示。

圖3 載荷施加與邊界條件

2.2 油缸安裝孔筋板結(jié)構(gòu)

工程上油缸安裝孔有兩種常用筋板結(jié)構(gòu)排布方式如圖4a、b，對兩種不同結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行強度校核。

圖4 筋板兩種常用排布結(jié)構(gòu)

由圖5 可知，滿載工況下，最大應(yīng)力處在底梁上液壓缸安裝孔處，a 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為161MPa，超出了底梁結(jié)構(gòu)鋼Q235 的許用應(yīng)力156MPa；b 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為115M，在強度允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)更加安全，因此選用b 作為油缸安裝孔的筋板排布方式。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)下滿載應(yīng)力對比圖

2.3 不同工況下有限元分析結(jié)果

為了明確液壓機結(jié)構(gòu)在實際工作情況下能否滿足工程要求，對液壓機整機進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析通過有限元計算的變形與應(yīng)力結(jié)果判斷液壓機的設(shè)計是否滿足工程要求。選擇液壓機的滿載工況進(jìn)行分析。

將在SolidWorks 建立的液壓機三維模型導(dǎo)入ANSYS 中，在Workbench 模塊下進(jìn)行靜應(yīng)力分析[4，6]得到應(yīng)力和變形分布情況。分別對在中心載荷、模具位置偏移200mm、模具傾斜10°三種不同工況下對模型強度和剛度校核，結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 中心載荷下機身應(yīng)力及變形云圖

圖7 模具位置偏移500mm 機身應(yīng)力及變形云圖

圖8 模具傾斜10°機身應(yīng)力及變形云圖

由圖6～8 和表3 可見，在中心載荷和極限偏載工況下，該機最大應(yīng)力140MPa、軸向最大變形0.77、最大應(yīng)變0.0009。軸向變形許用值[f]=（0.3～0.5）P（MN），P 為液壓機公稱力=1.5[6]。應(yīng)變范圍取±0.4[8]。可知該液壓機結(jié)構(gòu)強度和剛度均符合工程標(biāo)準(zhǔn)。

表3 各部件結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）對液壓機結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使用SolidWorks 建立雙梁液壓機結(jié)構(gòu)模型，采用ANSYS Workbench 對液壓機模型進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，得到了在中心載荷和兩種極限偏載工況下的機身應(yīng)力和變形云圖，獲得強度和剛度都滿足工程標(biāo)準(zhǔn)的新型復(fù)合材料液壓機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)合材料液壓機輕量化。

（2）新型雙梁液壓機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了活動橫梁可配合模具高度調(diào)節(jié)位置的目的；解決了活動橫梁鎖定的難題；調(diào)平缸和珊格鎖定系統(tǒng)雙抗偏載使零件壓制更加均勻。對今后液壓機結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考意義。