1 前言
機(jī)身是壓力機(jī)的一個(gè)重要部件，所有的零部件都裝在它上面，它在工作時(shí)要承受全部工作變形力。因此，機(jī)身的合理設(shè)計(jì)對(duì)減輕壓力機(jī)重量、增加壓力機(jī)剛度、提高零件的加工精度，延長(zhǎng)模具的使用壽命等都具有直接的影響。眾所周知，機(jī)身占整個(gè)壓力機(jī)的比重非常大，所以對(duì)企業(yè)來(lái)講，在保證機(jī)身強(qiáng)度及剛度的情況下，降低機(jī)身的成本已成為至關(guān)重要的問(wèn)題。若按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，則不易給出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，且無(wú)法了解機(jī)身各部位的受力狀態(tài)和變形情況。有時(shí)雖然增加了機(jī)身的重量卻未達(dá)到提高剛性或強(qiáng)度的目的，因而造成了材料浪費(fèi)，并且難以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。所以，為了充分利用材料性能，對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)采用有限元的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常重要的。隨著CAD／CAM技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，用有限元來(lái)分析現(xiàn)代鍛壓機(jī)械的結(jié)構(gòu)已為工程設(shè)計(jì)人員所認(rèn)同，在實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
2 有限元模型的建立
在進(jìn)行有限元分析之前，按機(jī)器功能及載荷情況設(shè)計(jì)，建立幾何模型，這是成功的前提。這里用三維軟件SolidEdge建立機(jī)身模型，然后將生成的模型完整的導(dǎo)人到有限元分析軟件Femap With Nastran中，從而完成對(duì)該機(jī)身的有限元分析。
機(jī)身為鋼板焊接的框架結(jié)構(gòu)，主要由側(cè)板、加強(qiáng)筋、筋板及連接板等焊接而成。由于該機(jī)身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了便于劃分網(wǎng)格和更好地進(jìn)行有限元分析，合理建立了機(jī)身模型，在建模中，對(duì)于明顯不會(huì)影響機(jī)身整體強(qiáng)度、剛度的部位，如某些螺孔、銷(xiāo)孔、圓角及筋板凸臺(tái)等予以簡(jiǎn)化。機(jī)身模型如圖1所示。
3 確立邊界條件與施加載荷
在確立邊界條件與施加載荷時(shí)，做了如下簡(jiǎn)化和假設(shè):
(1)機(jī)身為一封閉框架，在實(shí)際工作狀態(tài)下，工作臺(tái)面的墊板把來(lái)自曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的公稱力按均布載荷作用于整個(gè)機(jī)身的承載面上，其大小等于壓力機(jī)的公稱力;床身向上的反力作用于曲軸前后軸承孔處，在此處載荷沿上半圓周中心線按余弦規(guī)律分布。
(2)忽略機(jī)身的重量(一般機(jī)身重量可使危險(xiǎn)截面應(yīng)力降低3%-5%,故偏于安全)、導(dǎo)軌和滑塊間的作用力以及地基對(duì)機(jī)身的影響，并假設(shè)機(jī)身與地基接觸為固定約束，即所有節(jié)點(diǎn)位移全約束，既要保證消除結(jié)構(gòu)的剛體位移，又要保證不影響床身的正常自由變形。
(3)忽略齒輪嚙合時(shí)相互作用的切向力及向心力對(duì)機(jī)身的作用。由于切向力及向心力作用干齒輪箱內(nèi)，故其數(shù)值相對(duì)于公稱力對(duì)機(jī)身的作用來(lái)說(shuō)是非常小的。
4 定義模型的材料屬性和網(wǎng)格劃分
機(jī)身為鋼板焊接件，材料Q235-A，彈性模量2.le8kPa，泊松比0.29,密度7.8e-6kg/mm3。網(wǎng)格劃分時(shí)，模型選用軟件中的線性四節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行自由式網(wǎng)格劃分，即每一單元有4個(gè)面，4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平移自由度，按照受載情況及其結(jié)構(gòu)形狀不同設(shè)置不同的單元大小。該機(jī)身共劃分的網(wǎng)格數(shù)為18811個(gè)，網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)數(shù)為6701。機(jī)身有限元模型如圖2所示。
5 計(jì)算結(jié)果及分析
使用NX Nastran解算器檢查計(jì)算分析質(zhì)量，使用軟件的后處理器(Post Processing)可以得到機(jī)身在受公稱載荷后的等效應(yīng)變?cè)茍D(圖3)和等效應(yīng)力云圖(圖4)。從圖中可以得出如下結(jié)論:
1）從等效應(yīng)變?cè)茍D中可以看出產(chǎn)生最大變形處在前軸承上端，其位移為0.335nvn，該最大位移符合壓力機(jī)的設(shè)計(jì)要求。其他各處的變形較小，幾乎均在0.05mm-0.27mm，變形均勻分布。
(2)從等效應(yīng)力云圖中可以看出應(yīng)力集中主要在機(jī)身左右兩側(cè)送料窗口的圓角處、工作臺(tái)板下支承板的過(guò)渡圓角處和前后軸承孔上、下端。其中前軸承孔上端的最大應(yīng)力達(dá)到47.1MPa，而其他大部分區(qū)域應(yīng)力基本上在8MPa-30MPa左右。設(shè)計(jì)時(shí)取機(jī)身綜合許用應(yīng)力為40MPa，局部應(yīng)力不超過(guò)鋼板的屈服強(qiáng)度200MPa，這是考慮實(shí)際工作中機(jī)身的強(qiáng)度應(yīng)留有一定余量和應(yīng)力分布出現(xiàn)局部不平衡等因素的影響。
由上面的的分析可看出，該機(jī)身在承受公稱力時(shí)，其所受的最大應(yīng)力及應(yīng)變等均滿足設(shè)計(jì)要求，并且由圖3及圖4顯示，整個(gè)機(jī)身受力以及變形比較均勻，并且過(guò)渡平滑，所以該機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。
6 結(jié)論
通過(guò)對(duì)該閉式單點(diǎn)壓力機(jī)的機(jī)身進(jìn)行有限元分析，可以得出如下結(jié)論:有限元分析軟件Femap With Nastran可以準(zhǔn)確地計(jì)算出機(jī)身不同位置的應(yīng)力以及應(yīng)變等的分布情況，并根據(jù)其在公稱載
