（材料加工工程专业论文）120mn锻造液压机本体整体性研究.pdf

摘要 摘要 全预紧组合机架各部件分别加工后，通过拉紧螺栓施加一定的预紧力 组装成整体，受工作载荷后，机身各结合面仍需保持紧密接触，而不能产 生间隙和错移，也就是保持组合机架的整体性。该结构液压机克服了传统 三梁四柱结构中立柱既受拉又受弯的状况，有效改善了液压机立柱的受力 状态，完全避免了立柱根部断裂等重大故障的出现。 本文利用大型有限元软件m a r c 为分析工具，就组合机架整体计算模 型和组合计算模型、稀疏网格模型和加密网格模型进行了对比研究，在上 述研究的基础上确定了合理的网格密度。通过此对比分析结果建立液压机 的有限元分析模型。 本文对组合机架液压机本体的整体性进行了系统的分析研究，液压机 的整体性主要体现为上梁与立柱结合面处的开缝问题。依据两者间开缝趋 势的特点，将其分为平移性开缝和弯曲性开缝。本文系统地研究了拉杆与 立柱截面积比、上梁和立柱的抗弯刚度比等结构参数，以及偏心载荷、预 紧力等载荷工况和预紧参数对压机整体性的影响。 本文利用各种参数对机身整体性的影响规律，选择1 2 0m n 锻造油压 机合适的结构参数，并对其本体方案设计进行了计算分析，通过计算对此 设计方案机架的整体性进行评估，并获得了压机上梁、下梁、立柱、拉杆 在各工况下的变形和应力等数据。 关键词液压机；本体；组合机身；整体性；预紧 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l lp a r t so ft h ew h o l ep r e - t i s h tc o m b i n e df r a m ew e f eb r o u g h tt ob e a ra p r e - t i g h tf o r c eo v e r p a s st h et i e r o da f t e rt h e ya r ea s s e m b l e d a l lc o a l e s c e n t s u r f a c e sk e e pc l o s e - k n i tc o n t a c tw h e nt h e ya r ee n d u r e dw o r kf o r c ea n dg a p p i n g w i t ht h ec o a l e s c e n ts u r f a c e sd on o ta p p e a r e d n l i si st h ei n t e g r i t yo ft h e c o m b i n e df r a m e 啦c o n f i g u r a t i o np r e s so v e r c o m et h es t a t e st h a ti sp u l l e da n d p r e s s e do ft h ec o l u m nf o rt h et r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o no f t h r e ec r o s s b e a ma n d f o u rc o l u m n t h ef o r c es t a t ef o rt h ec o l u m no f t h ep r e s si se f f e c t i v ea m e l i o r a t e d , t h i sc o n f i g u r a t i o np r e s sa b s o l u t ea v o i dm a n yf e a r f u lf a i l u r e s s u c ha sr u p t u r ea t t h ec o l u m n sr o o t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i tw a sa n a l y s e db ym a r ct h eg r e a t n e s ss o f t w a r eo f f e m t h ed e n s i t yo ff e mm o d e li ss e l e c t e db yt h ec o m p a r er e s u l t sb e t w e e n s p a r s e n e s sp l o tg d d d i n gm o d e la n de n c r y p tp l o tg r i d d i n gm o d e la n dt h ew h o l e c a l c u l a t i o nm o d e la n dc o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lt h ef e mm o d e lo f h y d r a u l i cp r e s si ss e tu pb yt h e s ec o m p a r er e s u b s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb o d yi n t e g r i t yo ft h ec o m b i n e df r a m ef o r g i n g h y d r a u l i cp r e s sn o u m e n o ni sa n a l y z e dw i t hf e m , av i e w p o i n tt h a tt h ef a i l u r eo f i n t e g r i t yi sm a i n l yi n c a r n a t e db yt h eg a p p i n ga tt h ej u n c t i o no f t h ec r o s s h e a da n d t h ec o l u m n si sp u tf o r w a r d t h eg a p p i n gc a r lb ed i v i d e di n t ot r a n s l a t i o ng a p p i n g a n db e l l dg a p p i n g d e p e n d i n go nt h et r e n do f c a pd e v e l o p i n g a l s ot h ee f f e c t so f t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft i e r o da n dc o l u m na n dc r o s s h e a d 部w e l l 嬲o ft h e f o r c e - e n e r g yp a r a m e t e r ss u c ha sb i a sl o a d ，p r e - t i g h tf o r c e ，o nt h ei n t e g r i t ya r e s t u d i e ds y s t e m i c a l l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , g e t t i n ga c r o s st h ei n f l u e n c er u l e so fc o n f i g u r a t i o n p a r a m e t e rf o rt h eb o d yi n t e g r i t y , w es e l e c tt h er i g h tc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e rf o r t h e1 2 0 m nf r e ef o r g i n gc o m b i n e df r a m eh y d r a u l i cp r e s s t h eb o d yi n t e g r i t yo f a b s t r a c t t h ep r e s si sa n a l y z e dw i t hf e ma n dg a i n e dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fa l lw o r k s t a t u s ，f o re x a m p l e ，t h ed e f o r ma n ds t r e s sd a t af o rt i e r o d ，c o l u t m k u p p e rb e a m a n d b a s ep l a t e t h e nt h ef i n a ld e s i g n i n gs c h e m ei sw h o l ei n v e s t i g a t e d k e y w o r d sh y d r a u l i cp r e s s ；b o d y ；c o m b i n e dl 臣a m e ；i n t e g r i t y ；p r e - t i g h t h i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 1 2 0m n 锻造液压机本体 整体性研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字7 獗建影 日期：卿年期j 7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 1 2 0m n 锻造液压机本体整体性研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：枷霾影 导师签名：嘛 日期：z 卵年角倨 醐。叩年朔7 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 液压机发展的历史只有一百多年，蒸汽机的出现引起了工业革命，悠 久的锻造工艺逐步从手工锻造转变为机器锻造。十六世纪初，出现了第一 批水力机械锤。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特首先使用了锻造钢锭用的锻造水压 机。十九世纪末二十世纪初，资本主义发展到帝国主义阶段，争夺殖民地 和军备扩张的需要，锻造和模锻液压机迅速发展t 1 卅。 液压机是机械工业中一种重要的工作母机，自1 9 世纪问世以来发展很 快，已成为工业生产中必不可少的设备之一。随着汽车、电力、和航天等 工业的迅速发展 5 - 7 1 ，对液压机的锻造能力和精度的要求越来越高，锻造在 国民经济和国防安全中的作用越来越重要。大型锻件要在大型锻造液压机 上生产制造，所以我们把大型自由锻造液压机的规格和装备水平作为一个 国家大型装备制造能力及经济与国防实力的重要标志【8 】。 1 2 大型自由锻液压机结构分析的现状与发展趋势 1 2 1大型自由锻造液压机在世界各地的分布 1 8 9 3 年美国建成第一台万吨级( 1 2 6m n ) 锻造液压机。至上世纪4 0 年 代，世界上己建成万吨级液压机1 2 台，截止到上世纪七十年代，3 0 m n 以 上的自由锻液压机，德国4 台，法国5 台；美国有十六台，其中一万吨以 上的五台；日本有1 1 台，其中一万吨以上的1 台；俄罗斯有六台，其中一 万吨以上的4 台。上世纪七十年代以后，意大利、英国、捷克、印度、西 班牙、加拿大、巴西、荷兰、罗马尼亚、朝鲜相继建成3 0m n 以上液压机， 燕山大学工学硕士学位论文 其中一万吨以上的2 台，意大利和捷克各一台【9 】。 从大型自由锻水压机的发展来看，发达国家建造的早，大部分在上世 纪七十年代之前，而且额定载荷大【1 0 】。发展中国家集中在上世纪七十年代 以后建成，在液压机总数中的占有量很少而且额定载荷小。在近2 0 年来， 由于控制技术的进步，锻造液压机已向自动化方向发展【l l 一4 1 。 1 2 2 压力机机身结构分析的发展现状 机身是机床的重要组成部分，它不仅是压力机主要零件的装配基体， 而且还要承受机器的全部工作载荷，机身承载能力和变形大小将直接影响 产品的精度及模具的使用寿命【1 5 一引。闭式组合机身是由拉杆将上横梁、立 柱和下横梁三部分牢固的连接起来，组成一个完整的整体【1 9 埘】。这种结构 不仅加工、装配和运输方便，而且避免了其他结构中的立柱在与下梁的接 触平面断裂的缺陷【2 4 】。 人们对组合机身的结构分析最早是采用材料力学和实验直接测量的方 法瞄j 。实验方法是通过对真实使用的液压机或者它的按比例制作的模型在 各种结构参数和载荷工况等条件下，对机身各部件的变形和应力直接进行 测量，实验方法受到实验仪器的测量精度、外部条件干扰、载荷工况等的 影响，测量结果误差很大。 材料力学方法是计算出液压机在公称压力下各个危险点的应力和机身 的最大变形，再引入许用应力和许用变形，使危险点的应力和压机变形低 于其许用应力和许用变形即可。但是材料力学研究的对象主要是横截面尺 寸远小于轴线长度的杆件，往往采用一些关于变形的近似假设，如平面假 设、小变形假设等r 6 ，近似地求得杆件在外力作用下的应力及变形，最后 再加入许多人为的修正参数才能满足工程要求。将机身简化成材料力学中 的杆件或杆件组合，其计算结果是一个粗略的近似值。为了使结果更可靠， 必须加大安全系数，结果使得设备非常笨重，增加了成本，造成原材料的 很大浪费 2 7 1 。有很多文献以材料力学方法对组合机身整体性进行了分析。 王野平通过数学计算【2 钔，讨论了闭式压力机立柱的刚度设计问题，导出了 立柱刚度设计中必须满足的两个不等式，分析了影响闭式压力机立柱刚度 2 第1 章绪论 的各个因素。赵升吨、韩慧兰在分析了闭式组合机身拉紧螺栓传统设计方 法存在问题的基础上，深入地分析了其受力及失效机理，首次建立了机械 压力机闭式组合机身拉紧螺栓在压力机工作时的应力波动范围、应力幅、 平均应力及其循环特性的表达式，建立了闭式组合机身拉紧螺栓完整的可 靠性设计理论【2 9 1 。以上两个都是对机身单个部件单个参数的研究，对机身 整体的数学计算研究比较系统的是赵希禄、聂绍珉对预紧组合式压力机机 身的结构优化设计，以材料力学的压力机计算模型，成功的引入了预紧组 合式结构的特有的设计变量和性态约束条件，对实际压力机产品进行了优 化设计计算唧】。 压机本体结构中的上梁和立柱等都不是理想的杆件，它们的结构形状 比较复杂，要对它们做很大的简化才能够用材料力学的方法来研究。压机 结构中大多数零件的截面尺寸是变化的【3 ”，如各种腔体、轴肩、出沙孔、 螺纹孔等。在这些位置，实际应力与材料力学公式计算的结果相差很大， 在截面的剧烈变化处，如小孔、尖角处存在严重的应力集中，材料力学很 难计算口2 1 。 随着计算机技术和计算方法的发展，2 0 世纪中叶有限元法诞生了1 3 ”“。 有限元法( t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是求解数理方程的一种数值计算方法， 是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具 3 7 - 3 9 1 。它的基本思想是化 整为零，积零为整h 们，把一个原来是连续的物体分为相互连接的有限个单 元，在有限个节点上，承受与实际载荷等效的节点力，并根据其平衡条件 和边界条件等进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元变形组合成整 体进行综合求解 4 1 - 4 3 】。有限元法已成为计算力学和工程科学领域里最有效 的计算方法1 4 4 。经过几十年的发展，有限元法的理论日趋完善【4 5 】，研究开 发了一批通用和专用的有限元分析软件，如m a r c 、a n s y s 、a b q u i s 等， 使用这些分析软件已经成功的解决了众多领域的大型科学和工程计算的难 题 4 6 。钔。 压力机的本体结构有限元法分析是从七十年代开始的【4 9 】，我国具有代 表性的文章是文献 5 0 】，主要根据j 2 3 8 0 型压力机机身左半部分的受力简 图，利用平面问题的有限元程序计算出各单元节点的位移与应力，并求出 3 燕山大学工学硕士学位论文 机身的线刚度和角刚度，与实测值和材料力学的计算值进行比较验证。随 后这方面的研究逐渐增多，领域不断扩大和深入。王留德是利用自编的空 间板系通用程序s a p s 对闭式4 0 吨数控回转头压力机机身进行了计算，并 把计算结果与实测结果进行了比较，找出存在误差原斟5 1 】。周杰、伍驭美 做了关于拉紧螺栓预紧力对闭式组合机身压力机精度影响的研究【5 2 1 ，利用 a n s y s 有限元程序对一台德国新型锻压机进行了分析，得出了拉紧螺栓中 预紧力对闭式组合机身压力机精度的影响规律，其结果对提高我国同类型 压力机的设计与制造精度有重要指导意义和应用价值。于海龙利用a n s y s 有限元分析软件对j 5 8 1 6 0 型电动螺旋压力机进行了空间有限元分析【5 孙， 在充分考虑组合机身受力及结构特点的基础上，建立了比较符合实际的有 限元计算模型，对组合机身进行有限元计算，讨论了预紧系数对机身的变 形和应力的影响，以及拉紧螺栓对机身的作用。 对机身的结构分析最新，最全面的是吴生富、金淼对1 5 0m n 锻造液压 机本体组合结构研究，首次将全预紧组合机架用于大型锻造液压机，在整 体性分析中，首次提出了考虑横梁变形的“真预紧曲线”，进而提出了临界 载荷、整体区、开缝区及分离区等概念【5 4 。刀。为全预紧机架的整体性分析 提供了新的平台。以有限元模拟为分析工具，对1 5 0m n 自由锻液压机本体 的整体性进行了分析，提出液压机的整体性主要体现为上梁与立柱结合面 处的开缝问题。依据两者间开缝趋势的特点，可将其分为平移住开缝和弯 曲性开缝【5 s 1 。系统地研究了拉杆、立柱、上梁刚度等结构参数对液压机整 体性的影响，以及偏载、预紧力等力能参数对压机整体性的影响。并在上 述研究的基础上提出了对1 5 0 m n 自由锻液压机本体设计的修改意见，对最 终设计方案进行了全面的分析【5 9 枷】。 综上分析可见，压力机机身设计最早是利用材料力学的模型进行计算， 随着计算机技术的发展，引入了有限元法和数值模拟技术，使机身的设计 计算结果更加可靠，设计更加快速，设计水平有了很大提高。但是还存在 以下问题：( 1 ) 对单个部件的研究较多，对多个部件的总体研究较少；( 2 ) 对 整体机身研究的比较多，对组合机身研究的比较少；( 3 ) 只注重研究，不注 重应用，大部分是对已经制造完成的压力机进行测试和校核，而不是应用 4 第1 章绪论 有限元模拟方法进行机身的设计制造。 1 3 课题来源及研究的内容 1 3 1课题来源和研究的目的 1 2 0m n 锻造油压机是我国正在设计建造的大型油压机，也是目前世界 上较大的锻造油压机之一。该压机载荷及结构复杂，造价昂贵，设计和制 造均存在一定难度。鉴于此，有必要在己进行常规计算的基础上，采用国 际上著名的有限元分析软件，对其本体设计方案进行较为详尽的分析。以 期对“方案设计”进行评估，并为“技术设计”提供依据。 1 3 21 2 0m n 锻造液压机的本体结构概述 1 2 0m n 锻造油压机为传统的“三梁四柱”上传动式结构，其本体由上 横梁、活动横梁、底座( 下横梁) 、立柱、拉紧螺栓、工作缸、工作台等部件 组成。 1 2 0m n 锻造油压机本体采用了预应力组合机架结构。四根拉紧螺栓穿 过空心立柱将上横梁、底座及立柱紧固为具有预应力的机架。用长拉杆将 上、下梁与立柱紧固在一起。与传统锻造液压机的立柱局部预紧不同，该 立柱在全长范围预紧，使拉应力和弯曲应力分别由拉杆、立柱承受。可完 全避免断柱事故。 1 2 0m n 锻造油压机的主要技术参数如下： 公称压力：1 2 0 m n 工作液体压力：3 2 4 0m p a 工作介质：油 立柱中心距：68 0 0 35 0 0 蚴 净空高度：70 0 0 m m 活动横梁最大行程：35 0 0m m 允许锻造偏心：3 5 0 衄 5 燕山大学工学硕士学位论文 立柱截面尺寸：9 5 0 9 5 0m i l l 拉紧螺栓直径：由8 7 0m m 工作缸数：3 平衡力：1 6 2 m n 回程缸数：2 总回程力：8 水压机外形尺寸： 总高度：2 17 1 4 i i l m 地上高度：1 66 4 4 m m 地下高度：50 7 0 m l x l 主工作台尺寸：82 0 0 45 0 0 m i l l 1 3 - 3 课题研究的内容 ( 1 ) 联合运用大型有限元软件i - d e a s 和m a r c ，建立1 2 0m n 液压机 的三维实体模型和有限元模型。通过对整体计算模型的计算结果与组合计 算模型的计算结果比较，选择合适的计算模型建立方法。通过对稀疏网格 划分的计算结果与加密网格的计算结果的比较，确定合理的网格密度。利 用以上分析结果得出合理的有限元计算模型。 ( 2 ) 采用具有普遍意义的相对参量，分析预紧力、立柱和拉杆截面积比、 上梁和立柱刚度比及载荷偏心距等预紧参数、结构参数和载荷工况对全预 紧组合机架整体性的影响规律。在此基础上提出1 2 0m n 液压机的立柱断面 积、拉杆直径、上梁高度、拉杆预紧力等机架结构和预紧参数。 ( 3 ) 通过对压机三种不同工况的有限元模拟计算，测试在以上分析结果 基础上选取的结构参数的压机，其整体性是否满足使用要求。 6 第2 章组合机身有限元模型的建立 第2 章组合机身有限元建模研究 2 1 引言 为了进行有限元分析，必须对实体模型进行网格划分，使之成为很多 微小单元和节点的组合，这样的模型称为有限元模型。从实体模型向有限 元模型转换的过程中，要选择最优的转换方式。 2 2 机身整体计算模型与组合计算模型比较 2 2 1 机身整体计算模型 在i - d e a s 软件平台下建立组合机身的三维实体模型，如图2 - l ( a ) 所示。 ( a )( b ) 图2 - 1 三维实体模型和计算实体模型 f i g 2 1 t h ew h o l es o l i dm o d e la n dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l 7 燕山大学工学硕士学位论文 计算实体模型如图2 - 1 ( b ) ，对比计算中选取压机工作载荷最大的镦粗工况进 行比较。由于结构的对称性，分析计算时取二分之一结构建模，活动横梁 和液压缸在计算模型中省略，它们对机架的作用由施加在机架相应位置的 一组力边界条件来代替。所谓整体计算模型，就是把立柱和上下横梁作为 个不可分离的整体，在i - d e a s 软件下作为一个部件划分网格，机架各个 部分的网格是互相连接的，加载以后各部件的接触面之间不可以分离。拉 杆预紧力以作用在拉紧螺栓与上下横梁实际接触面上的一组分布力代替。 整体划分网格的有限元模型如图2 - 2 ( a ) 所示，边界条件如图2 - 2 ( b ) 所示。 ( a )( b ) 图2 - 2 整体计算模型和边界条件 f i g 2 2 t h ec a l c u l a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o nm o d e lo f w h o l ep l o tg r i d d i n g 对比计算中的镦粗工况，最大镦粗力为1 2 0m n ，活动横梁下平面距工 作台的高度为5 0 0 0m m ，四根拉杆的总预紧力为1 3 4 4m n ，载荷偏心距e 为1 0 0m m ，与之对应的横向力为1 1 0 1m n 。工作载荷由作用于锻件和工 作台接触面竖直方向的一组均布力来表示，其载荷中心向左偏离压机中心 1 0 0n l r n 。t 作缸的作用由一组作用于上梁缸孔边缘的均布力及作用于上粱 下平面的水平均布力表示。动梁的作用由一组作用于立柱的水平力表示。 此水平力使立柱受到横向弯曲。上述各载荷构成一平衡力系，所有的力边 8 第2 章组合机身有限元模型的建立 界条件都作用在各自的节点上。竖直方向的位移约束对应于实际结构地脚 螺钉处的节点，六个自由度全部予以约束。因为取二分之一模型进行分析 计算，所以在压机的横向对称面内施加纵向位移约束，位移约束仅用于消 除刚体位移，约束反力均为零。 2 2 2 机身组合计算模型 用i - d e a s 软件平台下建立机身的三维实体模型，如图2 - 1 ( a ) 所示。由 于结构的对称性，分析计算时取二分之一结构建模，计算实体模型如图2 - l ( b ) 所示。活动横梁和液压缸在计算模型中省略，它们对机架的作用由施加在 机架相应位置的一组力边界条件来代替，组合计算模型的有限元模型和边 界条件如图2 - 3 ( a ) 和2 3 ( b ) 所示。所谓组合计算模型，就是把拉杆、立柱和 ( a )( ” 图2 - 3 组合计算模型和边界条件 f i g 2 - 3 t h ec o m b i n a t i o nm o d e lo f c a l c u l a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o n 上下横梁作为4 个单独的部件，在i - d e a s 软件平台下对每一个部件分别划 分网格，然后独立的输入到有限元分析软件m a r c 中，组合成压机机身的 有限元模型，各部件的网格之间相互分离，所以承载以后各部件的接触面 9 燕山大学工学硕士学位论文 之间可以分离。对比计算中选取压机工作载荷最大的镦粗工况进行比较。 与整体划分网格计算模型不同的是，拉杆预紧力不是以力边界条件直接施 加在拉紧螺栓与上下横梁的接触面上，而是以作用在拉杆整体长度上的一 个预紧应力来施加，预紧应力的大小由数值计算得出。两种模型具有相同的 网格密度。 2 2 3 计算结果比较 ( 1 ) 变形结果比较对比分析中取整体以及各个部件的计算结果进行比 较。在这里提取立柱作为分析对象进行比较。图2 - 4 ( a ) 和图2 - 4 ( b ) 分别为整 体和组合计算模型的三向合成位移分布图。 ( a )( b ) 图2 4 整体和组合计算模型合成位移云图 f i g 2 4t h e w h o l e d e f o r m i n g m a p o f p r e s s f o r t h e w h o l ec a l c u l a t i o n a n d c o m b i n a t i o n c a l c u l a t i o nm o d e l 由图2 4 可以看出，整体计算模型和组合计算模型的位移分布基本相 同，位移的最大值在拉紧螺栓与上梁的接触面附近，大小分别为6 5 3 8m m 和 5 8 8 4m _ r f l ，整体模型的计算结果较大。 图2 - 5 ( a ) 和图2 5 分别为整体和组合计算模型中立柱的横向位移云 图。从图中可以看出，两种模型的横向位移分布云图几乎一样，只是数值 有所差别，横向位移的最大值都在左边立柱与上梁的结合部，大小分别为 1 0 第2 章组合机身有限元模型的建立 5 3 0 7r n m 和4 8 2 6n l m 。 ( a )( b ) 图2 - 5 整体和组合计算模型中立柱x 向位移云图 f i g 2 5 t h exd i r e c t i o nd e f o r m i n gm a p o f p r e s sf o r t h ew h o l ec a l c u l a t i o na n d c o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e io f t h ec o l u m l l 以上梁和下梁为研究对象，以组合计算模型为基准，分别取两部件中 变形剧烈的8 个点的位移计算结果，与整体模型中相同位置点进行比较。 上梁中变形数值点的位置如图2 - 6 中所示，数据点1 、2 分别在左右拉 ( a ) ( b ) 图2 - 6 上梁数值点的位置 f i g 2 - 6 t h en u m e r i c a lv a l u ep o i n t o f u p p e rb e a m 杆与上梁上表面的接触面处，数据点3 、4 分别在上梁上平面横向中面内左 侧液压缸孔左侧和右侧边缘处，数据点5 、6 分别在左右拉杆与上梁下表面 的接触面处，数据点7 、8 分别在上梁下平面横向中面内右侧液压缸孔左侧 和右侧边缘处。以后所有模型中上梁变形方面的取值点都于此处说明相同。 l l 垄坐奎兰三兰竺主兰垒丝苎 下梁中变形数值点的位置如图2 7 中所示，数据点1 在工作台表面的受 力中心处，数据点2 、3 分别在工作台上表面横向中面内左右边缘点，数据 图2 7 下粱数值点的位置 f i g 2 - 7 t h en u m e r i c a lv a l u ep o i n to f b a s ep l a t e 点4 、5 分别在左右拉杆与下梁下表面的接触面处，数据点6 在下梁下平面 横向中面内中间出沙孔边缘处，数据点7 、8 分别在下梁下平面横向中面内 中间出沙孔左边和右边出沙孔的边缘处。以后所有模型中下梁变形方面的 取值点都于此处定义相同。 表2 1 为组合模型与整体模型上梁x 向变形结果对比表。表2 2 为组 合模型与整体模型上梁z 向变形结果对比表。表2 3 为组合计算模型与整 体计算模型下梁x 向变形结果对比表。表2 - 4 为组合计算模型与整体计算 模型下梁z 向变形结果对比表。两种模型相差的百分数是大数值比小数值 再减一，然后乘1 0 0 ( 下同) 。 表2 1 组合与整体计算模型上梁x 向变形对比 t a b 2 1c o n t r a s to f t h exd e f o r m i n gf o rt h ew h o l ea n dc o m b i n a t i o nm o d e lo f u p p e rb e a m 数据点序号l 234567 8 组合模型变形( ) 3 9 7 84 9 3 9 4 9 6 54 7 8 63 8 0 54 8 2 94 7 8 6 4 9 6 5 整体模型变形( ) 4 4 0 65 3 3 75 4 5 45 2 7 44 2 5 15 2 3 85 2 4 85 4 5 4 两种模型相差 1 0 8 8 0 6 9 8 5 * 10 2 ，i1 1 伟 8 4 7 x9 6 8 9 8 韩 1 2 笙! 兰望垒墨墨互匡歪堡型堕垄兰 表2 2 组合与整体计算模型上梁z 向变形对比 t a b 2 2c o r f t r a s to f t h ez d e f o r m i n gf o rt h ew h o l ea n dc o m b i n a t i o nm o d e lo f u p p e rb e a m 数据点序号 12345678 组合模型变欣m ) 2 o1 8 7 91 7 4 60 5 嘴2 6 2 62 7 9 70 5 0 81 3 1 7 整体模型变形( m ) 2 1 0 01 8 0 91 6 9 50 4 8 51 8 0 92 1 2 30 9 6 3t 7 3 9 两种模型相差 0 4 8 3 8 7 63 0 1 4 7 4 4 5 2 3 1 踹8 9 6 3 2 喁 表2 3 组合与整体计算模型下粱x 向变形对比 t a b 2 - 3c o n t r a s to f t b exd i r e c t i o nd e f o r m i n gf o r t h ew h o l ec a l c u l a t i o na n dc o m b i n a t i o n c a l c u l a t i o nm o d e lo f b a s ep l a t e 数据点序号 l2345678 组合模型变形( ) 0 1 5 60 0 9 70 2 4 40 3 4 40 0 5 60 2 1 20 3 2 10 0 4 5 整体模型变形( m m ) 0 1 6 50 0 7 50 2 2 20 3 3 70 0 1 70 2 3 3o 3 4 00 0 6 2 两种模型相差 5 7 7 e2 9 3 9 9 1 2 0 8 2 2 9 9 9 1 5 9 2 3 7 8 0 4 表2 - 4 组合与整体计算模型下梁z 向变形对比 t a b 2 4c o n t r a s to f t h ezd i r e c t i o nd e f o r m i n gf o rt h ew h o l ec a l c u l a t i o na n dc o m b i n a t i o n c a l c u l a t i o nm o d e lo f b a s ep l a t e 数据点序号 l23456 7 8 组合模型变形( m m ) 1 6 0 81 0 3 7i 1 5 8o 5 1 70 5 3 91 0 3 20 9 2 80 9 4 2 整体模型变形( m m ) 1 6 1 51 0 4 4t 1 6 40 4 5 00 4 6 11 0 3 80 9 3 60 9 4 8 两种模型相差 0 4 4 0 6 8 0 5 2 1 4 9 1 6 9 0 5 8 0 8 6 o 6 4 从变形结果比较可以看出，两种网格模型的计算结果，在机架变形方 面数值相差较大，在拉紧螺栓与上梁接触面的应力集中处，位移数值相差 很大。而且组合计算模型的计算结果读取各部件的位移分量比较容易，尤 其是开缝的形态很直观，具体数值很容易得到。整体计算模型只能从立柱 和横梁结合面上的节点应力分析有没有开缝，如果节点上存在拉应力则认 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 为横梁和立柱之间已经开缝，但缝隙的真实形状和具体大小不得而知。 ( 2 ) 应力结果比较对比分析中取整体以及各部件的计算结果进行比 ( a )( b ) 图2 - 8 整体和组合计算模型中上粱应力分布图 f i g 2 - 8 t h es t r e s sd i s t r i b u t i n gm a p o f p r e s sf o rt h ew h o l ec a l c u l a t i o na n dc o m b i n a t i o n c a l c u l a t i o nm o d e l o f u p p e r b e a m 较。在这里提取上梁作为分析对象。图2 - 8 ( a ) 和图2 - 8 ( b ) 分别为整体和组合 计算模型中上横梁的应力分布图。从图中可知，应力最大值都在拉紧螺栓 与上横梁的接触面处，大小分别为1 4 6 6m p a 和2 1 1 3m p a 。 图2 - 9 ( a ) 和图2 - 9 ( b ) 分别为整体和组合模型上梁横向中面应力分布图， ( a )( b ) 图2 - 9 整体和组合计算模型中上梁横向中面应力云图 f 逸2 9 t h em i d d l eo f n a m v e r s ep l a n es t r e s sd i s t r i b u t i n gm a p o f p r e s sf o r t h ew h o l e c a l c u l a t i o nm o d e la n dc o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo f u p p e rb e a m 1 4 第2 章组合机身有限元模型的建立 图2 - l o ( a ) 和图2 - l o ( b ) 分别为整体和组合模型上梁纵向中面应力分布 ( a )( b ) 图2 1 0 整体和组合计算模型中上梁纵向中面应力云图 f i g 2 0 1 0 t h em i d d l eo f e n d l o n gp l a n es t r e s sd i s t r i b u t i n gm a p o f p r e s sf o rt h ew h o l e c a l c u l a t i o na n dc o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo f u p p e rb e a m 从图2 - 9 中可以看出，两种模型中的应力分布情况相似，最大应力都在 横梁下平面液压缸孔的边缘处，计算结果分别为7 0 3 4m p a 和7 9 3 0m p a 。 从图2 1 0 中可以看出，两种模型中的应力分布情况相似，最大应力都 在横梁上平面液压缸孔的边缘处，计算结果分别为9 2 6 2m p a 和9 8 6 0m p a ， 整体计算模型的计算结果偏小。 以上梁和下梁为研究对象，以组合计算模型为基准，分别读取两部件 中存在应力集中的8 个点的应力值，与整体模型中相对应位置点进行比较。 上梁等效应力数值点的位置如图2 1 1 中所示，数据点l 、2 分别在左右 拉杆与上梁上表面的接触面处，数据点3 、4 分别在上梁纵向中面内上下表 面中间液压缸孔边缘处，数据点5 、6 分别在上梁横向中面内左右液压缸与 上梁下表面的外侧接触点，数据点7 、8 分别在上梁上表面左右两侧靠近拉 杆的出沙孔边缘处。以后所有模型中关于上梁等效应力方面的取值点都于 此处的定义说明相同。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 图2 1 1 下梁数值点的位置 f i g 2 - 1 1 t h en u m e r i c a lv a l u ep o i n to f u p p e rb e a m 下梁等效应力数值点的位置如图2 1 2 中所示，数据点1 、2 分别在左右 拉杆与下梁下表面的接触面处，数据点3 、4 分别在靠近横向中面的筋板上 外侧左右两个u 形出沙孔的边缘处，数据点5 、6 分别在靠近下梁外表面的 筋板上最外侧左右两个圆形出沙孔边缘处，数据点7 、8 分别在下梁左右两 端外侧u 形出沙孔的边缘处。以后所有模型中关于下梁等效应力方面的取 值点都于此处相同。 ( a )( b ) 图2 1 2 下梁数值点的位置 f i g 2 1 2 t h en u m e r i c a lv a l u ep o i n to f b a s e p l a t e 表2 5 为组合计算模型与整体计算模型上梁等效应力结果对比表。 1 6 第2 章组合机身有限元模型的建立 表2 - 5 组合与整体计算模型上梁等效应力对比 t a b 2 5c o n l r a s to f t h es t r e s sf o rt h ew h o l ec a l e u l a t i o na n dc o m b i n a t i o nc a l e u l a t i o nm o d e l o f u p p e rb e a m 数值点序号 l 23 4 5678 组合模型应力( m p a ) 2 1 1 2 92 0 6 7 98 4 7 9 78 0 6 1 35 6 5 5 86 5 0 1 78 6 0 0 98 4 4 8 1 整体模型应力( m e a ) 1 4 4 7 91 4 6 ，6 38 0 7 3 38 4 0 6 35 6 8 0 16 15 8 38 2 8 4 08 0 7 2 3 两种模型相差 4 5 9 4 1 o 5 0 3 4 2 8 0 4 3 5 5 8 3 8 3 4 6 6 表2 6 为组合模型与整体模型下梁等效应力结果对比表。 表2 - 6 组合与整体计算模型下梁等效应力对比 1 _ a b 2 - 6 c o n 慨t o f t h es t r e s s f o r t h e w h o l e c a l c u l a t i o n a n dc o m b i n a t i o nc a l c u l a t i o i l m o d e l o f b a s ep l a t e 数值点序号l 2 3 4 56 78 组合模型应力( m p a ) 1 2 1 2 81 3 9 3 47 7 6 5 87 2 4 0 71 0 5 4 89 4 6 3 46 7 7 l6 9 9 3 3 整体模型应力( m p a l 8 4 1 6 69 2 6 8 77 1 9 2 96 4 5 5 81 0 0 9 89 4 7 3 06 6 9 勰6 7 6 9 8 两种模型相差 4 4 1 5 0 3 7 9 6 1 2 2 4 4 6 0 i 1 0 7 3 3 0 从以上的计算结果对比可以看出，拉杆与横梁接触面上两种模型应力 值相差很大，两种模型在此位置都有很强的应力集中。应力值较小，应力 集中不明显的地方应力数值相差不大，说明组合计算模型比整体计算模型 能更好的分析组合机架承载后的应力集中问题。本文以后的压力机计算分 析模型都以组合计算模型建立。 2 3 网格密度对计算结果的影响 网格密度关系到求解的精度及求解的难易程度，适当选取网格密度对 于有限元的求解至关重要。有限元分析的结果精度随着单元尺寸减小而增 加求解精度，但是由于计算的处理能力和计算时间以及计算结果分析处理 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 等的要求，选择较合适的网格密度。 2 3 1 对比模型介绍 在i - d e a s 软件平台下建立机身的三维实体模型，如图2 1 ( a ) 所示。稀 疏网格的有限元模型和边界条件如图2 - 1 3 ( a ) 和图2 1 3 ( b )