基于ANSYS的單臂液壓機(jī)有限元分析

閆　冬

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，滕州 277599）

基于ANSYS的單臂液壓機(jī)有限元分析

閆冬

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，滕州 277599）

本文針對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身剛性較差，容易產(chǎn)生角變形的問題，采用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，并且校核了機(jī)身的剛度和強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和優(yōu)化，降低了制造成本，達(dá)到了滿意的效果。

單臂液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)靜力學(xué)

引言

單臂液壓機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常普遍，主要用于小型鍛造液壓機(jī)、沖壓液壓機(jī)和校正壓裝液壓機(jī)中［1］。單臂液壓機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低的特點(diǎn)，其主要部件機(jī)架一般采用整體鑄鋼或鋼板焊接結(jié)構(gòu)，在工作時(shí)可以從3個(gè)方向接近模具［1］，操作空間大，裝模、調(diào)整、操縱及送料都較方便。但是其機(jī)身的剛性較差，在壓制工件中容易產(chǎn)生角變形，并且機(jī)身沒有導(dǎo)軌，導(dǎo)向性較差，這樣會(huì)影響到模具的使用壽命和加工工件的質(zhì)量。因此，合理的機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文以某廠 200t單臂液壓機(jī)為例，采用 ANSYS Workbench軟件對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足使用要求。

1　單臂液壓機(jī)有限元模型的建立

該型號(hào)的單臂液壓機(jī)是由Q235鋼板焊接而成，焊接成箱體結(jié)構(gòu)，液壓缸通過法蘭連接在單臂液壓機(jī)機(jī)身上。在本文有限元模型的建立中，認(rèn)為焊縫質(zhì)量是理想可靠的，對(duì)傳力效果沒有影響，把機(jī)身整體結(jié)構(gòu)作為連續(xù)體來處理［2］。根據(jù)廠家提供的單臂液壓機(jī)材料參數(shù)，其性能指標(biāo)見表1。本文中取安全系數(shù)n=1.5，則σ=σs/n=235/1.5 =157MPa。

表1　材料參數(shù)

本文采用SolidWorks軟件模擬出單臂液壓機(jī)機(jī)身的三維模型，然后從SolidWorks軟件中導(dǎo)出模型*.x_t格式的文件，將*.x_t格式的文件導(dǎo)入ANSYS Workbench中。單元選用軟件默認(rèn)的實(shí)體單元，設(shè)置機(jī)身的焊接面接觸類型為（Bonded）綁定接觸。采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出有限元模型共有節(jié)點(diǎn)34993個(gè)，單元18033個(gè)。這樣就得到單臂液壓機(jī)機(jī)身的有限元模型如1圖所示。

根據(jù)單臂液壓機(jī)的實(shí)際工作情況，對(duì)該有限元模型施加載荷和約束：

①在機(jī)身底座處施加固定位移約束；

②在工作臺(tái)上表面均勻施加工作載荷；

圖1　單臂液壓機(jī)機(jī)身的有限元模型

③在上橫梁與液壓缸通過法蘭連接的接觸面上均勻施加工作載荷。

2　單臂液壓機(jī)機(jī)身的靜力學(xué)分析

通過ANSYS Workbench求解計(jì)算得出單臂液壓機(jī)機(jī)身的變形圖和應(yīng)力圖，如圖2，圖3所示。

從圖2變形圖中可以看出機(jī)身的最大變形點(diǎn)出現(xiàn)在上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸的環(huán)形區(qū)域上，最大變形量為2.1764mm，這個(gè)變形量對(duì)于單臂液壓機(jī)整體來說是很小的，不足以影響被加工件的精度［2］。

從圖3應(yīng)力圖中可以看出機(jī)身的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸的環(huán)形區(qū)域上，最大應(yīng)力值為409.74MPa，其余部位的應(yīng)力值基本在45.53MPa以下，可以看出，只有上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸的環(huán)形區(qū)域應(yīng)力值過大，不滿足強(qiáng)度要求，其余部位的強(qiáng)度都在安全范圍內(nèi)。

圖2　單臂液壓機(jī)機(jī)身變形圖

3　單臂液壓機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3　單臂液壓機(jī)機(jī)身應(yīng)力圖

（1）改進(jìn)方案。通過分析單臂液壓機(jī)機(jī)身的變形圖和應(yīng)力圖可以得出以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)方向：①機(jī)身整體的變形值和應(yīng)力值較小，材料的特性沒有利用充分，可以適當(dāng)減小機(jī)身鋼板的厚度，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。②為了避免上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸環(huán)形區(qū)域的應(yīng)力值過大，可采取在此位置焊接立板的方法。

具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施：將機(jī)身兩側(cè)的鋼板厚度由原來的80mm減到60mm；在上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸環(huán)形區(qū)域周圍焊接兩塊立板，來抵消部分應(yīng)力，如圖4所示。

圖4　改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)模型

（2）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后上橫梁的靜力學(xué)分析。通過ANSYS Workbench求解計(jì)算得出改進(jìn)后單臂液壓機(jī)機(jī)身的變形圖和應(yīng)力圖，如圖5，圖6所示。

由圖6可知最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在機(jī)身兩側(cè)鋼板的拐角處，其值為155.57MPa，處在安全范圍之內(nèi)。由圖5可知，最大變形量由2.1764mm減少到1.9739mm，比改進(jìn)前的變形量減小了9.3%。改進(jìn)后的單臂液壓機(jī)的總質(zhì)量由原來的4709kg減小到3876kg，節(jié)約材料833kg［3］。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)模型，在保證原有功能的基礎(chǔ)上，既避免了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，又減輕了機(jī)身重量，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4　結(jié)語

本文采用ANSYS Workbench軟件對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身進(jìn)行了有限元分析［4］，由得到的應(yīng)力和變形圖可知：上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸的環(huán)形區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠［5］，是設(shè)計(jì)需要改進(jìn)的部位；其余部位基本處在低應(yīng)力狀態(tài)，整機(jī)有很大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間［2］［6］。針對(duì)分析結(jié)果可以對(duì)單臂液壓機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)作以下改進(jìn)［7］：在上梁與液壓缸固定的法蘭盤相接觸環(huán)形區(qū)域焊接立板；減小機(jī)身兩側(cè)鋼板厚度。

圖5　改進(jìn)后單臂液壓機(jī)機(jī)身變形圖

圖6　改進(jìn)后單臂液壓機(jī)機(jī)身應(yīng)力圖

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的分析結(jié)果可以看出：不僅降低了結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值，同時(shí)減輕了機(jī)身的重量，節(jié)約了制造成本。本文是以200t單臂液壓機(jī)機(jī)身的優(yōu)化展開討論的，但其分析過程和思路方法有一定的借鑒價(jià)值，也可以用于不同型號(hào)的單臂液壓機(jī)。這種方法的使用大大縮小設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)間，分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)，減小計(jì)算失誤，為企業(yè)帶來效益。

［1］第三章 液壓機(jī)-百度文庫-《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源（http：//wenku. baidu.c）》

［2］楊朝全；鄧祥周；宋本超，YQ32-400t液壓機(jī)上橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)？［J］-《煤礦機(jī)械》-2015（04）

［3］秦東晨，祁建中，張明成，等.液壓機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.鍛壓技術(shù)，2004（2）：49-52.

［4］李建華.大噸位四柱閘板缸動(dòng)式液壓機(jī)的機(jī)身有限元分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù).2011（1）：34-37.

［5］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［7］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)，2012.70-72.

FiniteElementAnalysisofSingleArmHydraulic Machine Based on ANSYS

YAN Dong
（ZaozhuangVocationalCollegeofScienceandTechnology，Tengzhou 277599，Shandong，China）

This paper is mainly directed at the problem that the rigidity of the single arm？hydraulic machine body is？poor，？easy to produceangulardistortion.？Usingfiniteelementanalysissoftware ANSYSWorkbenchto perform static analysis on the single arm？hydraulic machine body，and the strength and rigidity checks are finished.On this basis，？some structural improvements and optimization design are carried out to reduce the cost of manufacturing hydraulic press machine and achieved satisfactory results.

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