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大型鍛壓機(jī)作為一種重要的金屬壓力加工設(shè)備，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。鍛壓機(jī)大都采用了三梁(上梁、下梁和動(dòng)梁)四柱(四個(gè)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的拉桿壓套結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)型式，并且其主要結(jié)構(gòu)件均由鑄鋼澆鑄而成。下橫梁通常是壓機(jī)的工作平臺(tái)，對(duì)大型鍛壓機(jī)而言由于受鑄造工藝及設(shè)備條件的限制，通常其下橫梁一般由幾塊鑄件通過(guò)端面鍵及拉桿預(yù)緊組合而成。
因此，在壓機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何做到使組合梁的強(qiáng)度剛度達(dá)到設(shè)計(jì)要求就成了大型鍛壓機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于各組合件自身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加之它們之間采用了組合方式，因此對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析就不能將其視為一個(gè)整體，從而利用經(jīng)典的材料力學(xué)方法或一般意義上的靜態(tài)有限元分析方法。而應(yīng)該利用可變形體的三維接觸有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行研究。從理論上講，在對(duì)組合體的接觸分析中如果能做到其接觸面既無(wú)分離、穿透，也無(wú)相對(duì)滑移，在此情況下才可以將組合結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體進(jìn)行分析，或者說(shuō)，此時(shí)的組合結(jié)構(gòu)可以從理論上達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的效果，但實(shí)際中很難達(dá)到這一點(diǎn)。
因此，對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維接觸有限元強(qiáng)度剛度分析就顯得非常重要。165MN自由鍛造油壓機(jī)及配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究作為“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目，旨在研制一臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化的大型鍛壓設(shè)備，以滿足我國(guó)特大型鍛件制造的急需。其下橫梁采用了組合梁結(jié)構(gòu)，如圖所示。由圖可見，組合下橫梁其由四部分組成，兩個(gè)中間段，兩個(gè)外伸段，中間段是兩個(gè)結(jié)構(gòu)基本相同的主梁，外伸段作為輔梁。主輔梁之間通過(guò)上下兩排預(yù)緊拉桿緊固在一起，主梁與主梁之間，以及主梁與輔梁之間采用了端面鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成了一個(gè)特殊的組合梁。在設(shè)計(jì)中如何保證這一組合梁結(jié)構(gòu)其強(qiáng)度和剛度滿足要求，就成了設(shè)計(jì)工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為此采用了三維接觸有限元軟件對(duì)此組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析和研究。
鑒于SolidEdge軟件的強(qiáng)大幾何建模功能，采用在SolidEdge軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模，并通過(guò)接口模塊將所建的模型導(dǎo)入Marc軟件中，由于下橫梁沿其長(zhǎng)度方向前后對(duì)稱，為了減少計(jì)算時(shí)間，本文取其二分之一進(jìn)行分析。邊界條件需根據(jù)鍛壓機(jī)的不同工作狀態(tài)進(jìn)行確定，為了校驗(yàn)鍛壓機(jī)下橫梁的強(qiáng)度需選擇其中最惡劣的工況進(jìn)行分析，即鍛壓機(jī)處于滿載工況，上橫梁三缸同時(shí)工作，每缸工作壓力為5543t，此時(shí)下橫梁工作面中心處承受工作壓力，該壓力均勻分布于面積為(1100x3600)mm的下橫梁工作臺(tái)面上。由于下橫梁為組合梁，因此其在工作前需先通過(guò)上排五根拉桿和下排四根拉桿的預(yù)緊作用緊固在一起后方能進(jìn)行鍛造，此處單根拉桿的預(yù)緊力為1115t，下橫梁是由兩主梁和兩輔梁裝配組成，其彼此之間是相互接觸的，為了提高計(jì)算精度，本研究使用8節(jié)點(diǎn)六面體單元來(lái)模擬此接觸狀態(tài)，并對(duì)下橫梁的一些關(guān)鍵部分進(jìn)行了細(xì)化。
兩主梁和輔梁為鑄鋼材料，彈性模量為E=2.0xe5MPa，泊松比u=0.3；拉桿彈性模量為E=2.0xe5MPa，泊松比u=0.3在進(jìn)行三維接觸有限元計(jì)算時(shí)需設(shè)置一些接觸選項(xiàng)，主要有定義接觸體和接觸體對(duì)、設(shè)置接觸容限和偏斜系數(shù)，指定摩擦系數(shù)等。Marc的接觸分析可以定義三類接觸體即可變形接觸體、剛性接觸體、有熱傳導(dǎo)的剛性接觸體，根據(jù)實(shí)際情況在這里只將可能發(fā)生接觸的單元都定義為可變形接觸體，需注意的是可能發(fā)生接觸的單元指的是那些單元中有一單元面為變形體接觸面的單元，這樣作的目的是為了減少接觸判斷的時(shí)間、提高計(jì)算的效率，同樣的為了這一目的，在定義完可變形接觸體后還需再定義接觸體對(duì)，即將可能發(fā)生接觸的兩個(gè)變形體設(shè)置為一個(gè)接觸體對(duì)，以避免不必要的接觸判斷。接觸段上的接觸容限是用于判斷節(jié)點(diǎn)是否與接觸段發(fā)生接觸。
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