基于有限元分析的液压机上横梁结构改进设计

　　锻压机床是工业基础装备的重要组成部分，在航空航天、汽车制造、交通运输、冶金化工等重要工业部门得到广泛应用。目前，液压机机身结构设计很多采用的仍然是传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法经过实践证明具有一定的可靠性，但是材料力学的分析方法将横梁简化为简支梁进行粗略计算，不能全面反映其应力状态，无法确定应力集中的地方及大小，找出横梁的薄弱环节。利用静态有限元分析，可以校核机身部件的强度和刚度，并根据分析结果进行结构改进设计，降低成本，提高效益。本文建立了某型2000t锻压机的上横梁的三维结构模型(图1)，用ANSYS Workbench软件对上横梁进行静力学分析，得到应力和应变分布云图及应力集中和最大变形的位置，根据分析结果进行强度校核并对上横梁结构进行改进。

　　图1 2000t锻压机上横梁结构模型

　　1 有限元模型的建立与静力分析

　　 锻压机的上横梁为钢板焊接结构并假设为线弹性体，在分析中认为焊接质量是可靠的，把整个上横梁作为连续体处理。在不影响强度和刚度的前提下，把上横梁各钢板焊接缝都简化处理为钢板。

　　1.1 材料、约束、受力及单元网格的设置

　　 材料设置时，按照厂家提供的参数，密度为7.89 g/mm3，泊松比0.3。

　　 模型坐标方向，X轴正向为向右，Y轴正向为向上，Z轴正向为向前(请参照图2坐标系)。上横梁的结构和所受载荷是Z向对称的，在结构对称面上施加对称约束。上横梁、立柱是通过拉杆和螺母连接的，在螺母作用面上施加y向的位移约束。在上表面的左前角点施加z和X方向的位移约束，限制刚体位移。工作过程中液压缸以公称力作为计算载荷，以面载荷形式作用于上横梁，作用面在上横梁下底面，为环绕4个油缸孔的环形面，即4个油缸与上横梁的接触面。此外，上横梁和边柱的连接面上还有螺栓的预紧力，结构受力简图如图3所示。上横梁结构在分析中采用四节点四面体三维实体单元划分网格，采用整个结构为研究对象，让软件自动划分网格单元，有限元模型如图2所示。

　　图2 上横梁有限元模型

　　图3 上横梁结构受力简图

　　1.2 上横梁的有限元静力分析

　　 通过对上横梁模型有限元分析，可以得到应力和变形结果。其中最大应力强度均发生在上横梁和立柱的螺母约束处，上横梁工作载荷主要是液压缸的反作用力和螺栓预紧力，由载荷引起的变形在螺母作用面上受到约束，所以最大应力强度会发生在这里(图4)，最大应力强度为153MPa。根据上横梁所用材料，所受的最大应力强度小于许用应力，并有较大余量。最大变形发生在上横梁的下表面(图5)，最大变形量为1.26mm，没有发生安全警报，符合设计要求。但是，上横梁的变形差对于锻压机的工作影响很大，变形差过大，会导致液压缸带动压块时不能竖直运动，液压缸的活塞连杆被压迫变形，而且，对于加工出的板件的精度，上横梁横向变形差也是最主要的影响因素。结构分析结果见表1。

　　图4 应力分布云图