J75G-200闭式高速压力机结构有限元分析及改进设计

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以简化；

2）认为焊接质量可靠，且不考虑焊接对各板传力的影响；

3）将导轨看成自由界面，滑块与导轨之间无力的传递；

4）地脚螺栓刚度无限大，不考虑地基及机身以外部件弹性变形；

图2.2 压力机实体模型

底座材料QT600-3，密度??7120kgm3，弹性模量为1.69E+11N/m2，泊松比为0.286；横梁材料HT300，密度??7300kgm3，，弹性模量为1.43E+11N/m2，泊松比为0.27。

2.2.1 单元类型的选择

在以往压力机机身的分析中，由于受计算机硬件水平的限制，多选用有限元中的梁、板壳单元来描述机身的结构。由于机身各部分具有不同的板厚，因此即使选择同一单元类型时，也必须设置不同的实常数来定义板厚、梁单元的截面尺寸、转动惯量等参数，若设置参数较少，必然会对结构作较大简化；若参数设置较多，又给单元的划分增加了计算量和复杂程度。同时，由于板单元和梁单元的节点自由度数不同，因此必须考虑不同类型单元之间连接时位移的连续性问题，这就需要人工调整。若人工干预太大，容易引起单元畸变。因此，用板、梁等单元建立的有限元模型，必将带来一定的计算误差，特别是对一些重要的局部区域，其分析时误差较

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大。

因此用三维实体单元来描述机身结构，更能反映机身的实际情况。在ANSYS软件里，三维实体单元有六面体单元和四面体单元两种。由于六面体单元在划分时要求结构规则，而对于机身这类较复杂的结构，对其进行六面体单元的自动划分十分困难。采用四面体单元分析三维结构，单元划分比较灵活，可以逼近较复杂的几何形状。因此，本文计算时，采用单元sohd45，该单元为四面体8节点三维实体线性单元，每节点有三个移动自由度，同时指定单元边长，这样可以得到比较均匀的单元，从而节省计算时间。

2.2.2 网络的划分

利用ANSYS Workbench的智能尺寸网格划分功能，网格划分器Meshing tool对将要划分网格的体上的所有线估算单元边长大小，对几何体上的弯曲近似区域的线进行细化，自动生成合理形状的单元和单元尺寸分布。通过基本控制和高级控制可以设置网格划分的智能尺寸，本人将网格尺寸选择为60mm，精度为100，畸变度选择0.3。网格划分后共产生65451个单元，118025个单元节点。

精度越高，网格的质量也越好。当然，复杂几何区域的网格单元会变扭曲。劣质的单元会导致劣质的结果，或者在某些情况无结果!有很多方法来检查单元网格质量(mesh metrics*)。例如，一个重要的度量是单元畸变度（ Skewness ）。畸变度是单元相对其理想形状的相对扭曲的度量，是一个值在0 (极好的) 到1 (无法接受之间的比例因子。划分网格后的机身如图2-3所示。

图2.3 机身网络划分

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2.2.3 边界条件的施加

1）载荷的施加

本设备的公称压力是2000KN，但由于实际应用中载荷并不是由零缓慢增加，在冲压工件时具有一定的加速度，机身实际上受到的是动荷作用，故应在静载荷上乘以一个动荷系数1.20，即2400KN。分析其应力和变形时，取其公称压力为机身的外载荷。机身在工作时承受两个方向的载荷，一个是作用在曲轴支撑孔上，方向向上；另一个是作用在工作台上，方向向下。两者大小相等，方向相反。工作台上的载荷是均布载荷的形式作用于机身上，二轴承孔上的载荷是通过加载到半轴上的载荷通过接触的设置，间接传递到轴承孔上，这样能够真实地反应轴承孔的受力。 2）工作台及曲轴支撑孔上载荷的处理

工作台上的压力F?2400KN，工作台面积是A?1.761?1.185?2.085m2。由公式

P?F/A，得工作台所受压力为P?1.15MPa。右侧曲轴支撑孔受到向上的力F1?600KN，A1??RL?3.14?0.19?0.125?74612mm2。利用余弦公式计算支撑孔的

不均匀受力，P1??2F1/A1?*sin(y)?16*sin(y)MPa。中间两个曲轴支撑孔受到向上

mm2，P2?P3?14.1*sin(y)MPa。左侧曲轴支撑的力F2?600KN，A2??RL?84823mm2。P4?16.7*sin(y)MPa。孔受到向上的力F4?600KN，A4?71667在Workbench

进行有限元分析时，将载荷按照计算结果施加在曲轴支撑孔，看机身的受力和变形情况。

3）边界约束条件

J75G-200是闭式高速压力机机座的边界约束条件是通过地脚螺钉与地面相连的全约束，即可近似模拟其实际位移状态。外力载荷及边界约束如图2.4所示。

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图2.4 外力载荷及边界约束

2.2.4 材料特性

机身为QT600-3和HT300钢的板材焊接结构，在工作时其变形是弹性变形。材料特性常数包括：弹性模量、泊松比、密度，根据《机械设计手册》，QT600-3钢的弹性模量E为169Gpa，泊松比μ为0.286，QT600-3钢的密度取ρ= 7120kg/m3。HT300钢的弹性模量E为143Gpa，泊松比μ为0.27，QT600-3钢的密度取ρ= 7300kg/m3。

2.3 计算结果分析

2.3.1 应力和变形要求

（1） 变形要求：?x??x?0.25mm；?y??y?0.25mm；?z???z??0.25mm。 （2） 要求:材料为球墨铸铁和灰铸铁，结构的破坏形式一般为塑性屈服。因而在强度分析中采用第三强度理论或第四强度理论。第三强度理论未考虑主应力?2影响，可以较好的表现塑性材料屈服现象，适用于拉伸屈服极限和压缩屈服极限相同的材料。第四强度理论考虑了注意力?2的影响，而且和实验较符合，与第三强度理论比较更接近实际情况。因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力?（又e称Von Mises 等效应力）来评价。

第四强度的含义就是：在任何应力状态下，材料部发生破坏的条件是： ?e?[?]

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