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四柱液压机上横梁结构优化设计

四柱液压机上横梁结构应用传统力学和有限元法进行结构优化设计
上横梁强度设计之前,先对立柱、立柱锁紧螺帽、上油缸进行设计计算,以便得到上横梁连接尺寸,获得大致装配结构。根据立柱、上油缸及工作台尺寸,可以获得上横梁的一个视图的主要安装尺寸见图l。尺寸值(直径)340mm为立柱锁紧螺帽与上横梁的接触面,大小可由挤压强度计算获得;直径570mm和750mm由上油缸确定.长度l000mm和1200mm 由工作台尺寸决定。
1.1 力学分析
四柱液压机上横梁安装工作液压缸,加压时,上横梁承受其

四柱液压机1

反作用力,由于四柱液压机上横梁的刚度远大于四支柱的刚度,故其力学模型可简化为两端铰支,中间受压力的弯曲梁;对于四柱液压机,最简单的方法可视为受一集中力,

四柱液压机2

弯曲梁的最大弯矩发生在上横梁的中间 图2 四柱液压机上横梁受力简化图截面处.选择距离较远的两对支撑柱的方向进行简化,见图2。
(公式)

四柱液压机公式
式中: P四柱液压机的公称压力,kN;L— — 立柱中心距,mm;S—— 上横梁的最小横截面积,mm 。
上式仅对上横梁作粗略估算,为下一步优化设计奠定基础。
1.2 建立基于Pro/Engineer的三维模型为使焊接应力尽量均匀及采购型材型号统一,以及建立模型时减少参数个数,本文设计的肋板厚度相等,5个钢桶的壁厚稍大于肋板厚度,4个对角线上的肋板厚度为 Js +10)mm,其余肋板厚度为DSlllm,上下两腹板厚度为D ,5个管形型材的壁厚取(DS_A+10)mm,腹板周边到肋板的距离取DS_A值。
为防止肋板受力时横向弯曲,肋板的高度应小于等20倍的肋板厚度.取上横梁厚度为 (16DS_A +2D|s日)mml”。。考虑上横梁的加工工艺性,其厚度不宜过大.根据实际Q235板材厚度. 暂取DS_A=30 mm、DS H =50mm建立三维模型,获得 圈3 上横梁三维模型图上横梁的结构图。最终效果见图3。
1.3 模型的初步优化
利用Pro/E的行为建模技术,利用式(2)和式(3)
确定DS_A和DS H的值,以免有限元模型初次计算时应力值偏离目标结果太多.也可节省有限元计算时间。在此,由于没有考虑偏载影响.计算时载荷应取1.2尸进行有限元分析,取立柱螺纹的残余预紧力为0.5×铰链支捌公称载荷1.2P/430 ~750\残留预紧载荷0.5×1.2P/4
图4 上横粱载荷分布图

四柱液压机上横梁

1.2P.四柱液压机载荷分布图见图4。
取30≤州≤ D和50<~Ds_月≤80,通过Pro/E的多参数化分析,建立关系式(切应力Q,弯曲应力 )翻:
公式
可得切应力和弯曲应力关于DS_A和DS_H的一系列值,见表2(从左到右依次为切应力(Q)、弯曲应力㈣、DS_ A和D 值),经观察第4组数据较满意。圆整后取DS_A=40,DS_H=77重建模型,为下一步有限元模型的建立奠定基础。

四柱液压机公式
1.4 建立有限元四柱液压机模型进行分析
1)建立有限元模型:由于为对称结构,取其四分之一进行有限元划分和计算。将模型导入到ansys一workbench并简化.简化的有限元模型见图5~图7。约束载荷见图6,对于立柱孔处的下表面需考虑残余预紧力的存在,其大小参考图4载荷分布图。残余预紧力显示为C Force 2,工作载荷显示为B Force.对上横梁的上表面的立柱螺帽接触面添加约束类行为FrictionlessSupport的约束.显示为A Frictionless Support。使用实体网格模型,对肋板添加映射网格控制,其余按照默认设置进行网格划分.其效果见图7。
2)优化模型:运行分析。并进入DX建立表格,(以DS A和DS tt为自变量,上述各面的最大应力值及上下两面的最大变形量为目标变量的表格)进行列表计算。设置各个应力及变形量的收敛率20%进行列表计算。DS_A和 的值以实际的板厚系列取值,如见表3。比较发现第2、3两组数据均较接近许用应力78.33 MPa,取第2组数据 =35;DS_H=72,重建模型,再次进入DS,细化网格,网格细化共有67 577个节点、374 96个单元,设置应力及变形量的收敛率为5% 进行计算.获得最终的模型应力值和变形量。发现最大应力出现在四柱液压机上横梁与立柱螺母的接触处。大小为74.608 MPa,见图8,立柱的平行方向最大变形位移为0.000 856 mm,见图9,远小于工程许用值,符合国家标准。

四柱液压机图表

四柱液压机图表

 

2 结束语
尽管本文是以6 300 kN四柱液压机上横梁的优化展开讨论的。但其处理思路和方法有较大的通用性和实用价值,可以运用此法设计工作台(下横梁)。若压机型号改变。不必重新绘图,只需直接进入ansys—workbench修改参数、重生模型、修改载荷大小,即可再次进行强度校核,这将大大缩小设计计算的时间,减小计算失误。

发布日期:2010-3-4 点击次数:2054

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