SolidWorks大型锻压机上横梁建模与应力分析

2013-08-01 by:广州Solidworks培训中心来源:仿真在线

1 前言

上横梁是大型锻压机的关键零部件之一,上横梁单件重量往往达上百吨,甚至几百吨。由于其结构复杂,如果不借助应用于计算机技术的三维建模软件和高效的有限元分析软件很难定性、定量地分析出其外部壳体及内部筋板的受力情况和变形情况,也无法验证出其结构设计的正确性、合理性。

SolidWorks作为一种主流的三维设计软件,操作简便,功能强大,在参数化特征造型、曲面造型和机械装配功能方面尤为突出。COSMOSXpress是SolidWorks中提供的用于零件应力有限元分析的高效工具,具有计算速度快、占用磁盘空间少、使用方便、分析功能全面、与其他CAD/CAE软件集成性好等优点。

使用COSMOSXpress可以在三维设计环境中对零件应力分布情况有直观的了解,对设计的缺陷和薄弱环节进行及时的修改,提高设计质量及零件的可靠性。

2 上横梁的结构

上横梁位于锻压机主机顶端,在梁的四个角上是压机的四个立柱插入孔,上横梁装在立柱上通过螺母压紧,梁中部是三个主工作缸安装孔。整个梁的结构俯视完全呈对称结构,这种布置使梁在工作状态下其内部力的传递分布更合理。

3 上横梁的精确建模

建立上横梁三维模型时,由于后面还要根据应力分析结果对零件结构进行优化设计,在优化过程中对尺寸参数可能要作多次的修改,所以在造型的过程中必须对零件建模草图的几何约束和尺寸约束作完全定义,使得某个结构特征的尺寸修改后,其它相关联尺寸将随着这个尺寸的改变而改变,系统将随之生成具有所需足寸的相关特征,实现三维设计的尺寸驱动。对于具有对称性特征的零件在建模时只需要做零件的一部分,然后用实体镜像完成。

在锻压机上横梁建模过程中,对零件的草图尺寸作完全定义,方便在后续优化设计时,只需修改尺寸,就可以很快得到新尺寸的零件。该件具有对称特征,开始建模的时候只需要做出四分之一建模草图,再通过拉伸、放样、切除等做出梁的四分之一模型,最后通过镜像操作完成。

4 上横梁的应力分析

4.1 上横粱应力分析假设条件

SolidWorks中的COSMOSXpress是根据有限元法,采用线性静态分析,在线性假定、弹性假定和静态假定条件下计算零件中的应力。

传统分析主桀及横粱结构多采用ANSYS中的Shell63定义单元格,但是其壳体模型只能用面体代替,并且部件中的过度圆角很难体现出来,不利于准确分析横梁的静应力。上横粱的箱形结构采用单一材料,受力变形属于线弹性静态工作状态,能很好地满足COSMOSXpress的使用条件。在单元划分时,默认使用原模型实体材料属性,并且采用边界和面结构可以灵活改变的四面体单元,使得分析结果更加可靠。模型可以细分成小的网格块。另外,COSMOSXpress与大多有限元软件—样采用等效应力(综合应力)和综合位移法,兼容弯曲强度和刚度的所有要求,并使结果更加明了准确。

4.2 上横粱工作状态下的约束与载荷

大型锻压机的上、下粱和压套通过各粱上对称分布的四个通孔用拉杆和螺母等预应力联接,构成闭合框架。锻压机工作时,四根拉杆制约了上下粱间的相对变形,所以上横粱的约束面选在与压套插入部分及螺母垫圈的接触面。锻压机镦粗时上横粱的载荷逐渐增加到最大,载荷通过三个主工作缸传递到上横梁,因此载荷应加载在主工作缸与上横粱接触的法兰端面。

4.3 应力的有限元分析过程

(1)选项设置。包括材料、载荷和结果的单位体系等的设置。材料设置,从材料库或用户自定义的材料库中选出材料,本设计中选择铸造合金钢,弹性模量210GPa,泊松比0.3,抗剪模量81GPa,热扩张系数5e-006,密度0.00785g/mm3,张力强度490MPa,屈服力295MPa;约束设置,选择上横粱与压套插入部分及螺母垫圈的接触面;载荷设置,指定产生零件应力或导致零件变形的外部载荷,如力或压力,本倒加载的三个工作缸各自的最大工作压力是23760kN。

(2)分析。开始运行分析程序,可以设置零件网格的划分程度,网格化分越小结果越精确,但相应的对硬件资源的要求也越高,分析计算的时间也增加,本例网格化分单元太小为70mm,公差3.5mm,单元数370928个,节点数612375个,自由度数1837125个。

(3)结果。分析得出的等教应力分布图中显示出了零件各个部位的等效应力大小。该件局部最走等效应力位置在粱与螺母接触面的凸台和粱上平面过渡圆角处,最大应力值173.4MPa。上横粱材料的屈服极限295MPa。在变形形状分布图中显示出零件各个部位位移量,可以看到该件最大位移1.043mm,位于粱与中间缸安装的法兰面。通过分析计算,本例的最小安全系数(FOS)为1.70081,该粱符合使用要求。

开放分享：优质有限元技术文章,助你自学成才