大吨位挤压铸造机框架有限元分析

2024年1月4日发(作者：商是几位数)

圃固四匿团哩　仿舅，建馥ＩＣＡＤ／ＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ　大吨位挤压铸造机框架有限元分析　尹建峰‘。刘贤华　。　吕国锋’，游东东　１．广东科达机电股份有限公司，广东佛山５２８３１３：２．华南理工大学，广州５１０６４０　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｍａｉｎ　Ｆｒａｍｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｌａｒｇｅ　Ｔｏｎｎａｇｅ　Ｓｑｕｅｅｚｅ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＹＩＮ　Ｊｉａｎｆｅｎｇ。，ＬＩＵ　Ｘｉａｎｈｕａ　，ＬＹＵ　Ｇｕｏｆｅｎｇ　，ＹＯＵ　Ｄｏｎｇｄｏｎｇ　（１．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　ＫＥＤＡ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｃ｛Ｉ．．Ｌｔｄ．Ｆｏｓｈａｎ　５２８３１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５ｌ０６４０．Ｃｈ－１ｌａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｉｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｔｏｎｎａｇｅ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｆ１）ｒ　ｂｅａｒｉｎｇ　ＷＯｒｋ—　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｔ‘ｍａｉｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕ｜－ｅ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ＨＳｅ　ａｎｄ　１ｉｆｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｅ，ｈｉ　ｒｌｅ．ｂｕｔ　ａｌｓ（）ｒｅｆｌｅｅｔｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆａｃｔｍ’ｏｆ’ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｈｏｌｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｌｅｖｅ１．ＦＥＡ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｈｅｃｋ　ｔｈｅ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｉｌｅ　ｍａｉｎ　ｆｉ＇ａｍｅ　ｓｈ’ｕｃｔｍ，Ｐ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｔＩｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｅｘｔ．Ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｉｆｉｅ（｛ｔｈａｔ　Ｉｈｅ　ｗｈｏ１ｅ　ｓｔｒｕｅｔｕ　Ｔ１Ｐ　０ｆ　ｍａｉｎ　ｆｌａｍｅ　ｉｓ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｉｌｅ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｌ’ｐｌ’ｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎｌａｎｕｆａｃｔｕ￣’ｉｌｉｇ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｔｏｎｎａｇｅ　ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｗＯ　ｂｏａｒｄ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｓｑｕｅｅｚｅ　ｃａｓｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌ｝ｒｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　０引　言　的结果，对主体框架进行安伞　性和可靠性验证，其分析结果　大吨位挤压铸造机（又称液态模锻）最早由德　人在　＿＿＝．战时期形成，二战后转入前苏联，２０世纪５０年代后经　过日本宇部公司全面深入研究和发展形成系列锁模力成　其制品性能优异，推动了高端汽车总体技术水平的提高，　同时也由于其优异的成型性能可运用于国防。　本文以广东科达机电股份有限公司自主创新的　３３００ｔ大吨位挤压铸造机为研究对象，如图ｌ所示。主机　为结构改进优化提供重要依　据。主机架结构的优劣不仅直　Ｔ　、制造、安装等方面密切相　关，是反映设计、制造水平的　莺要因素。　ｌ主机参数　型装备，在汽车和精密装备制造中得到良好的运用。由于　接影响压机的寿命，而且与加　结构为国际卜先进的二扳机结构。在压力机械结构设计　中，有限元分析因其可以较精确地揭示压力机主机的受　挤压铸造机总工作载　荷：３３　０００　ｋＮ。　力及变形情况，已成为压机结构设计的重要依据。通过主　机架结构进行有限元模拟分析，并通过有限元模拟分析　基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１　ＪＢＡＥ２１Ｂ０２）；第一批　广东省战略性新兴产业核心技术攻关项目　（２０１　１Ａ０１０８０２００５）　材料参数的确定，主机框　图１　３３００ｔ挤压铸造机　架共４种材料，为合金钢、碳钢、铸钢和铸铁，材料参数如卜：　合金钢：弹性模量Ｅ＝２．０６ｘｌＯ“Ｐａ，泊松比“：０＿３，　服强度ｏｒ　＝４４０　ＭＰａ；　碳钢：弹性模量Ｅ＝２ｘ１０”Ｐａ，泊松Ｌｔ，／ｘ＝Ｏ＿３，屈服强度　捷实时检验炯支质量，同时也监视整个炯支卷切传递机　械的运转状况，是娴支检测系统的重要组成部分，同没有　该系统的检测系统相比是有质的提升，并且安装灵活，效　果明显，此设计呵推广应用到多家卷娴厂。　［参考文献】　１］中华人民共和国国家质量监督检验榆疫总局．ＧＢ／ｒ　５６０６．１—　【Ｍ］．ｊＥ京：中国科学技术　版社，２００１．　３］　白象忠．可调频闪仪的结构及其工作原理［Ｊ］仪器仪表学报　１９９８（１）：６ｌ一６６．　４］姜淳．梅鸿．频闪仪及其在印刷检验系统中的应用［Ｊｊ．机电　程，２００６（２）：１９—２１．　（编辑立明　２００４．ＧＢ　５６０６．２￣５６０６　６—２００５卷烟】Ｓ¨Ｅ京：中国标准出版　社，２００４．　作者简介：曾清（１９６７一），男，工程师，从事烟草电气设备管理工作　收稿日期：２０１４—０３—０５　２］董祥云，张惠敏．高　启，等．全国烟草行业统编教材卷接机组　１３０　机械工程师２０１４年第５期　

圃固四回团哩　仿奠，建龌／ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ　＝３４５　ＭＰａ；　２．２边界条件设置及加载　铸钢：弹性模量Ｅ：１．９×ｌ０“Ｐａ，泊松比／ｚ＝Ｏ．３，屈服强　度　＝２７０　ＭＰａ；　对主机框架的有限元模　型施加边界条件及载荷，原则　铸铁：弹性模量Ｅ＝１．４×ｌ０”Ｐａ，泊松比／ｚ＝０．２５，艇服　强度　ｌ，＝２００　ＭＰａ。　２主机框架结构有限元分析　２．Ｊ有限元模型的建立　ｔ尽可能接近实际工况。边界　条件及加载如图４所示，对称　面施加对称边界条件，即该对　称面的法向位移为零，｛三机底　主机框架简化１／２模型如图２。主机框架结构比较复　杂，为独立导轨导向的新型二板机结构，主机框架结构尺　寸为：２　８４６　ｍｉｎｘ３　９６０　ｍｍｘ５　５００　Ｉｎｎｌ。独立导轨导向结构　座地脚螺钉孔处固定，各个相　邻零件之间接触类型定义为　可分离的接触，零件之　的摩　不再使用大拉杆为导向，将大拉杆从复杂的受力１：况解　提供了重要支撑，导轨部分为碳钢焊接结构，导轨摩擦副　擦因数设定为０．１，丰油觚腔压力２８．８　ＭＩ）２Ｉ　２－３．１　模拟分析结果合理性检查　边界条件的检查：通过柃查分析结果的对称而、约　点以及主油缸承受油　放出来只承受合模力，独　导轨同时为后续的辅机安装　２．３有限元模拟结果分析　材料为铸铁；主机下部为主油缸部件，主油缸部件一部分　为碳钢，一部分为合金钢；主机上部为抱合螺母部件，图２　材料为合金钢，动、定梁材料为铸钢，模具材料为碳钢。主　机合模动作为当抱合螺母抱合后丰油缸施加油　从而形　成合模力。　根据有限元模拟计算的需要，本次考察的主要是主　机框架的变形、应力情况，故本次计算对主机框架的结构　进行了相应的简化，舍去小的倒圆角以及小的螺纹孔，对　中为简化后的抱合螺母。抱合螺母材料为合金钢；火拉杆　压面　Ｊ＾知满足所定义　的要求。　有无心力奇变点：　通过检查框架可知整　个模型的应力梯度变　化合理，无明　的奇变　点。说明模型的建立和　黧　抱合螺母与大拉杆连接螺纹部分进彳『简化。模具尺寸按　照实际丁况设定尺寸，该主机最初模具为铝合金轮毂模　具，其模具尺寸为ｌ　３８０　ｌＩｌｎｌＸｌ　３８０　ａｉｒｎ￣１　１２０　ｍｒｎ。同时考　边界条件的定义符合　要求，见图５。　拉杆的变形情况　与理论分析的误差：大　拉杆有效受力长度为　３　３５７　ｍｍ，杆件变形公　式为Ａｌ＝Ｐｌ／（ＥＡ）一代入　虑到如果对主机架整体有限元模型进行计算将会对汁算　机的配置要求非常高，而主机架结构为前后对称结构，故　可用二分之一结构进行计算与分析。在有限元分析中，六　面体八节点单元相对于四面体十节点单元分析精度较高　且运算速度较快，故网格划分时尽可能采用六面体八节　点单元　本次的计算是利用有限元求解程序ＭＳＣ．ＭＡＲＣ＋　ＭＳＣ．ＰＡＴＲＡＮ，求出机架在公称压制力下　作时的刚度、　强度，在此过程中对原结构进－ｔ　一些局部优化。对主机框　数值得△ｚ＝１．４８　ｌｌｌＩｌｌ，而　有限元计算拉杆变形　结果约为１．５３　ｉｎｎｌ，有　限元汁算结果　理论　Ｉｌ－　屯个ｌ，Ｉ勺　架的网格划分定模板采用四面体十节点单元，其余采用　计算误差为３．３８％。考虑到有限５ｉ：５｝ｆ）￣ｈｔｉ　六而体八节点单元，在局部关键区域进行网格细化，　点　数４７　０２０；单元数３２　６１７　ｌ丰机框架有限元网格模　如图　３所示，　拉伸，由于模板变形还导致大托杆有一定的弯Ｉｔｔｌ变形，这　也足够说明理沦计算与有限兀结果十ｌ１　ｊ接近，分析结　是可信的。大批杆变形分析件如　６　２．３Ｉ２有限元模拟结果分析　１）刚度分析。在施加合模力后，书机　架会广。ｔ－・定　的弹性变形．需对其刚度进行分析　发挤　铸造机框架为　国内首创结构，除考虑整体变形情况外，　多火　的过　轨以及两个模板的变形　刚度分析包括：　机框架的　怵　变形，导轨存　斤向（水　方向）变形　度，ｌ从ｊ个卞；｛饭　’　方向（竖直方向）的变形情况．图７足十饥框架总体ｎ，Ｊｆ　移云图，冈８是导轨在　方向（水平方向）的位移云　，　９是定模板在ｖ方向（竖直斤向）的位移云图，　１０怂动　模板在ｖ方向（　商方向）的位移云图。　由图可知：主机框架变形最大的地方　人ｊ　什技｛　油缸部位处，最大位移值为２．３４　Ｉｎｉｌｌ，陔变形　悭…人批　机械工程师２０１４年第５期　１３１　

团固四匣国哩　仿真／毽耱／ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ　板的变形为０．０７　ｌｌｌｔ］１／Ｉ］Ｉ．也是在安全的允许范同内　２）强度分析。工作状态下，主机框架属于复杂受理状　态，既有压应力也有拉应力，当结构没汁不合理时，局部　应力集中会成为疲劳破坏源，导致整个结构的失效，设计　中应予以关注。主机框架均为弹塑性钢材，以第四　服强　度理论为依据，分别考察大拉杆、导轨、动定模板的应力　情况。图ｌｌ～图ｌ４分别为大拉杆、导轨、定模板、动模板　的ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ图。　－ｉ霎露谭　谭　．．＿＿霎　图７主机框架整体　变形云图　由大拉杆合应力图可知最大应力为ｌ６９　ＭＰａ，位　大丰奇＝杆与抱合螺母结合部位，该应力较大主要是　ｆ：螺　母前端受力大后端受力小造成，该处安伞系数为２．６倍；　拉杆主要受单向拉应力，拉杆主体拉心力为９５　ＭＰａ，这　说明拉杆设计是合理的，拉应力过大容易导致托断，拉成　力过小说明拉杆的安全系数过大，会浪费材料。南导轨ｌ砸　力图知其最大合应力仅为１７．４　ＭＰａ，说明导轨主曼是承　担模板导向，并没有参与到主机复杂的受力　况中．承受　。　馐　一　叩　１　一ｎ畦　图１Ｏ动模板在竖直方向　的变形云图　模板导向功能足以满足。由定模板应力图知最大ＶＯ１］　图９定模板在竖直方向　的变形云图　Ｍｉｓｅｓ应力为６３．４　ＭＰａ，位于主油缸　模板结合处，该处　主要承受压应力，定模板的屈服强度为２７０　ＭＰａ，则安拿　系数为４．２５倍，是足够安全的；需要注意的是中间网孔边　缘最大拉应力为６２．５　ＭＰａ，该圆孔通过机加１一后边缘处　仟的拉伸变形产生，一般情况下拉杆的弹性变形南材料　力学判定都在安令范围之内可以不予考虑，不考虑大拉　杆变形，主机框架变形约为０．６　ｉｆｌｍ，在安全范同之内　导　轨中问部位　办　向（水平方向）的最大变形为０．４８２　ｌｎｌｎ，该变形是南于动模板变形侧向挤压导轨产生，导轨　需要人　Ｉ　打磨一定圆角，以提高其疲劳强度。由动模板心　力图知最大ＶＯ１］Ｍｉｓｅｓ为ｌ２８　ＭＰａ，位于抱合螺母和动模　板结合处，主要为压应力，动模板安伞系数为２．１倍．是在　的高度为５　０３０　１／１１１１，则导轨单位长度变形为０．０９　ｍｆｉ＇ｌｈｌｌ，　导轨的变形在允许的安全范围内。定模板的模具安装平面　，，方向（竖直方向）中间圆孔处两边点变形为一Ｏ．２６１　ｌ１１ｆｌｌ、一０．２５４　１１１Ｉｌｌ，两边缘处的变形为＿０．１８６　Ｔ／Ｉｌ１］、－０．１３８１］ｌｎｌ，　安全范　内。动模板的最大合应力约为定模板最大合成　力的２倍，均在与大拉杆与模板联接部位，均为　心力，　原因在于定模板下方为主油缸底盖，主油缸底盖和定模　板的接触面积远大于抱合螺母和动模板的接触面积，接　触面积大则会将应力扩散，局部应力集中不会很明　。　语　则定模板竖直方向单位变形一侧为０．０６６　ｍ１］ｌ／ｌｌｌ，另一侧为　Ｆ而一侧有一大缺门造成，一般模板原则Ｉ　变形不能超　０．１　０　ｌｎｌｌｌ／Ｉｎ，定模板　作平面两边变形不一致丰要是由于　３结通过对３　３００　ｔ大吨位挤压铸造机框架总体结构进行　刚度和强度的有限元模拟校核计算，丰机架总体结构刚　度和强度均安全、可靠。在结构优化设计ｌ　通过对定模板　网孔下边缘处打磨成圆角以提高其疲劳强度，在实际１－　业运行中验证主机是可靠的。　［参考文献］　［１］俞新陆．液压机的设计与应用ｊ．Ｍ］北京：机械１　、　出版｝ｆ　，２００９．　Ｉ２］罗守靖．液态模锻与挤压铸造技术［Ｍ　ｊ北京：化学Ｉ　业　版社，　２００７．　『３　刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９８．　４　李邦国．Ｐａｔｒａｎ　２００６与Ｎａｓｔｒａｎ　２００７有限元分析实例指导教程　Ｍｊ．北京：机械工业出版社．２００７．　［５］邵敏．有限单元法的基本原理和数值力‘法【Ｍｊ—Ｅ京：清华夫学　ｍ版社，２００１．　６］陈火红．新编Ｍａｒｅ有限厄实例教程［Ｍ］．北京：机械ｒ１Ｉ　出版　社．２００７．　［７］刘鸣放，刘胜新．金属材料力学性能手册【Ｍ］．北京：机械Ｉ　、　“　版社，２０１１．　（编辑明涛）　作者简介：尹建峰（１９８【卜），男，硕士，工程师，从事挤压成型装备　图１３定模板ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ图　设计研发。　收稿日期：２０１４—０３—１０　１３２　机械工程师２０１４年第５期