四柱式多工位成形液压机结构分析

1、装备EQUIPMENT文章编号：16720121(2010)06002404四柱式多工位成形液压机结构分析范常荣，胡明杰（扬州捷迈锻压机械有限公司，江苏扬州225127）摘要：运用SolidWorks软件对四柱式多工位成形液压机结构进行了三维实体建模，运用ANSYS软件对其在满公称力状态下，偏载和非偏载两种工况下的强度和刚度进行了分析。在此基础上，获得了结构的应力和变形分析。关键词：机械制造；结构；液压机；有限元分析中图分类号：TH1231引言随着汽车工业的迅速发展，液压机的需求量增势迅猛，且品种越来越多，自动化程度越来越高，尤其是结构紧凑机型得到更多的需求。对于这些特殊结构的液压机，虽然吨位

2、不大，但结构计算较为复杂，如果采用传统的力学计算，不仅公式繁杂，且需要大量简化，计算结果往往也只能找出一些理论危险点，对于一些应力集中的区域很难准确确定13。为此，本文采用有限元分析方法，对公司曾经生），进行了分产过的四柱式多工位成形液压机（图1析，分析其在满公称力状态下，偏载和非偏载下的应力和变形情况，并对分析过程中的简化所造成的误差进行了说明。1.驱动液压缸机构图2机身主要零部件3.复位液压缸4.同步7文献标识码：B1234562.上横梁5.滑块6.导柱7.下横梁置，以便进行后续的卸料和送料工作；同步机构作用是使滑块与上横梁在偏载的条件下始终保持垂直的运动状态，以减小滑块与导柱间的作用力；

3、上横梁、下横梁与导柱间通过轴肩及螺母装配为一体。主要技术参数如表1所示。表1技术参数长/mm宽/mm高/mm公称力/kN滑块行程/mm工作速度/mm/s626014004235200032025图1四柱式多工位成形液压机3公称力载荷下的受力和变形分析分析液压机机身在公称力载荷下、非偏载状态22010年第6期液压机模型分析液压机的主要部件如图2所示，驱动液压缸与下的机身强度和刚度。采用SolidWorks进行实体建模，运用ANSYS软件进行有限元分析。3.1前处理（1）模型简化液压机结构比较复杂，若考虑所有因素的影响，复位液压缸均为单程液压缸，前者用于提供液压机工作过程中的动力，后者用于将滑块复

4、位到上限位收稿日期：2010-10-25作者简介：范常荣，男，扬州捷迈公司总经理，从事锻压设备研发、制造、管理等工作必将增加布尔运算及网格划分难度，降低计算效率。本次分析对模型进行了适当简化，简化内容如下4：忽略一些小孔及倒角的影响；尽量避免出现较24EQUIPMENT小的面、线，以降低网格划分难度；务必避免面上存在两条相切曲线，该情况下无法进行网格划分；液压机结构前后对称，在非偏载情况下载荷对称，为减小计算量，选择1/2结构模型进行分析；导柱的下梁、导柱间两端存在装配预紧力，分析中将上梁、作焊接处理；同步机构为多个杆件组成的多个平行四边形机构（图3），各运动副间可以自由转动，为减小非线性计算

5、，将其焊接为一体。AACEF图3同步机构结构1.支座2.短杆3.中轴销4.长杆CBDEDFB图4分析模型4123面载荷约束面对称约束面装备接触对小于70MPa，因此，不需对其进行细致分析；后者由于导柱的变形引起，实际生产中该应力集中现象肯定存在。图6为该区域应力的剖视图，由图可以看出，最大应力值位于滑块下端接触区域，约170MPa左右。图7的位移云图不能准确的看出上、下梁的变形情况，因此，笔者在分析模型上创建了3条路径，路径起点在左端，终点在右端。通过路径观察上梁、滑块、下梁在竖直方向的位移情况，路径位置如图8所示。（2）网格及材料属性选用solid95单元进行自由网格划分，并对载荷施加面、接

6、触对创建面进行细化；材料弹性模量取206GPa，泊松比选择0.3。对于单元选择，笔者曾做solid95、solid185单过一个简单试验，并与solid45、元的仿真比较，结果表明对于金属体而言，solid95单元的仿真结果与实际值吻合最好。（3）接触对创建本次分析仅对导柱与滑块间进行了接触处理。采用软件自带的接触向导创建接触对2，接触对位于滑块圆孔的两端部，以孔面作为目标面，导柱面作为接触面。（4）载荷及边界条件施加载荷为施加于滑块下表面、下横梁上表面的均布面载荷，作用区域大小为滑块下表面面积的2/3；液压机与基础间没有地角螺栓固定，工作过程中左右两端存在翘起现象，故约束施加在下横梁下表面中

7、心处的一个小矩形面，约束该面三个方向的自由度；分析模型为1/2结构，对称面上施加对称约束。具体模型见图4所示。3.2分析结果图5图7为液压机在非偏载公称力载荷作用下的等效应力云图及位移云图。通过图5可以看出，液压机上梁应力值基本在30MPa40MPa范围内，下梁应力值基本在20MPa30MPa；在驱动液压缸与上横梁和滑块作用处、滑块与导柱接触处存在应力集中现象，前者由分析模型构件间的焊接处理造成，实际生产中该应力集中现象可能不存在，且应力值图5应力云图（060MPa）图6剖视应力云图（0170MPa）图7位移云图252010年第6期装备EQUIPMENT表2中的差值为最大位移与最小位移之差，该

8、路径1路径2路径3滑块、下横梁在非偏载、公称力载荷下值为上横梁、的变形值，通过表2知，上横梁变形值为1.48mm，下横梁变形值为1.165mm，滑块变形值为0.238mm。本次分析过程中将上梁、下梁、立柱焊接为一因此，表2中的绝体，没有考虑立柱的预紧力作用5，对位移值与实际值相比存在一定的原始误差偏移，图8路径创建位置但表中的差值为各构件的自身变形，是准确可信的。通过图9图11三条路径曲线图可知，在公称力载荷作用下，三条路径上节点在竖直方向的最大、最小位移值分别如表2所示。4偏载分析偏载分析主要分析液压机左、右方向在公称力载荷偏载下的应力和变形情况。液压机的同步机构左右方向并不对称，因此，本文

9、分别进行了左、右两种偏载分析，公称力载荷分别施加于图4所示模型工作区域的左半边和右半边。为了模拟上、下模具在偏载状态下的变形情况，下梁上表面中心处建立建模过程中，在滑块下表面、了一个很小延长体，用于模拟实际生产中的模具，读位移图9路径1节点竖直方向位移取上、下模具在偏载求解后的位移变化值之差，作为偏载力作用下模具间隙变化值。4.1左偏载分析结果公称力载荷作图12图14为液压机在左偏载、用下的等效应力云图及位移云图。通过图12可以看位移图10路径2上节点竖直方向位移图12应力云图（075MPa）图13位移图112010年第6期应力剖视云图（0-170MPa）路径3上节点竖直方向位移表2路径节点位

10、移值路径22.7482.5100.238路径31.139-0.026模具位移读取点1.165图14位移云图路径1最大位移/mm最小位移/mm差值/mm2.8091.3291.4826EQUIPMENT出，液压机载荷施加侧机身应力值较大，最大值在60MPa以下，载荷施加侧的驱动液压缸区域存在集中应力现象，集中应力值在75MPa左右。通过图13可以看出，滑块与导柱间的应力集中主要在滑块下端接触处，载荷施加侧与非载荷施加侧的最大集中应力值均在200MPa左右。按照图8所描述的路径，在图14上创建3条路3条路径上节点在竖直方向的位移曲线分别如径，图15图17所示。起点位移/mm终点位移/mm极值/mm

11、装备表3左偏载路径上节点位移值路径11.8830.7763.03路径23.6821.416路径31.6150.662-0.0262.266mm、0.953mm。梁的倾斜值分别为1.107mm、读取图14中的标注点在左右方向的位移值，其位移值分别为0.181mm、0.0454mm，即在左偏载力下模具间隙值变化了0.136mm。的作用下，上、4.2右偏载分析结果右偏载的应力云图和位移云图与左偏载基本相似，对应3条路径上节点在竖直方向的位移曲线如图18图20所示。曲线的起点、终点、极值点如表4所示。位移图15路径1节点竖直方向位移位移图18路径1节点竖直方向位移位移图16路径2节点竖直方向位移位移图

12、19路径2节点竖直方向位移位移图17路径3节点竖直方向位移通过图15图17的曲线可以看出，三条路径的曲线并不对称，曲线的左、右端值的差别较大，其中图15、图17中的曲线上还存在极大值、极小值，说明上梁、下梁在偏载力的作用下发生了变形和倾斜，滑块则主要是发生倾斜，三条曲线的端值、极值如表3所示。定义路径上曲线的起始点与终止点的差值为对应构件在偏载力作用下的倾斜值，则上梁、滑块、下位移图20路径3节点竖直方向位移2010年第6期以曲线起点和终点数值差作为加偏载后构件的滑块、下梁的倾斜量分别为-1.106倾斜量，则上梁、mm、-2.152mm、-0.95mm。27装备EQUIPMENT文章编号：16

13、720121(2010)06002803等温锻造液压机的四角调平控制系统韩其义，张英男（山东力丰重型机床有限公司天津分公司，天津300134）摘要：介绍了等温锻造液压机在等温锻造时的一种四角调平控制方案，通过现场等温锻造验证，表明该设计方案在等温锻造的四角调平控制中是行之有效的。关键词：机械制造；四角调平；等温锻造；液压机中图分类号：TG315.41引言带四角调平系统的等温锻造液压机，是我国发收稿日期：2010-09-07作者简介：韩其义（1961-），男，工程师，从事机械设计与自动化文献标识码：B展新型航空航天高新技术工程中所需的重大设备，主要适用于航空高强度材料等温超塑性成形新工艺。因被锻

14、材料塑性差，变形抗力大，变形速率要求严格，锻造工艺复杂，因此，液压机的设计制造都应!表4右偏载路径上节点位移值路径1起点位移/mm终点位移/mm极值/mm0.7781.8843.008路径21.4543.606路径30.6641.614-0.026偏载状态下，机身应力值在60MPa以下；滑块与导柱接触区域最大应力值在200MPa左右。左偏滑载力作用下模具间隙值变化了0.136mm，上梁、块、下梁的倾斜值分别变化了1.107mm、2.266mm、0.953mm。右偏载力作用下模具间隙值变化了0.087mm，倾斜值分别为-1.106mm、-2.152mm、-0.95mm。【参考文献】1中国机械工程

15、学会塑性工程学会M锻压手册北京:机械工业2007-10.出版社，右偏载状态下，读取图14中标注点左右方向的位移值分别为-0.133mm、-0.046mm，即在右偏载力的作用下，上、下模具间隙值变化了0.087mm。5结论通过有限元分析方法，获得了结构在公称力载2刘相新，孟宪颐ANSYS基础与应用教程M北京：科学出版社，2006.荷状态下的应力和位移云图，进而得出结构的应力集中情况及变形情况。非偏载公称力载荷作用下，液压机机身应力在30MPa40MPa范围内，滑块与导柱接触处的最大集中应力值在170MPa左右。上横梁、下横梁、滑块的1.165mm、0.238mm。变形值分别为1.48mm、3王尚

16、斌，孙宇，张庆飞5000kN机械压力机机身有限元分析J锻压技术，2009，（1）：119-123.4李月仙，元秀梅.基于ANSYS的注塑机前模板有限元分析J.机械工程及自动化，2008，（2）：70-71.5王春寒在ANSYS软件中高强度预紧力的施加方法J.四川建筑，2006，（2）:140-141.StructuralAnalysisofFour-columnMulti-stationFormingHydraulicPress2010年第6期FANChangrong，HUMingjie（YangzhouJFMMRIMetalformingMachineryCo.，Ltd.，Yangzhou225127，JiangsuChina）Abstract：The3Dsolidmodeloffour-columnmulti-stationforminghydraulicpresshasbeenestablishedbyuseofSolidWo