基于瞬態(tài)分析的機身結構動態(tài)應力和位移響應研究

基于瞬態(tài)分析的機身結構動態(tài)應力和位移響應研究

隨著高速壓力機壓力速度和壓力機壓力等級的提高，振動控制器的減少變得越來越重要。因此，對壓力機減壓的研究是一個永恒的話題。另外壓力機噸位的不斷提高,機身結構變大,造成制造和運輸?shù)睦щy,所以壓力機機床的分體結構也成為了發(fā)展的趨勢。本文在這種發(fā)展趨勢下,利用有限元法研究了不同材料和不同預緊力下機身的減振效果,找出了機身減振的最佳方法。1單元網(wǎng)格劃分壓力機機身分為開式機身和閉式機身兩大類,機身結構分為鑄造結構和焊接結構兩種。其中閉式機身分成橫梁、底座,采用拉緊螺桿,連接成閉式框架結構。采用AutomaticMethod方法劃分網(wǎng)格,將網(wǎng)格大小定為80mm。單元網(wǎng)格在Solid186(四面體)與Solid187(六面體)實體單元之間自動切換劃分。因有限元瞬態(tài)分析非常耗時,又因機身可近似看成前后左右對稱的機身,取其1/4為研究對象,如圖1所示,并將對稱面上加上對稱約束,最后加載約束如圖2所示。將分析步數(shù)設為6,加載2個周期的載荷,總時間為0.28s,其中沖擊時間段的時間步長為0.0005s,其他時間段的時間步長為0.005s。2沖裁機進入沖裁周期瞬態(tài)分析中,為模擬機床受到的載荷譜,利用振動及動態(tài)信號采集分析儀器,采集工況下墩子的載荷譜如圖3,可得機床所受沖裁力的變化規(guī)律。當板料被沖裁1/3時,沖裁力達到最大值Fm,設置此時為t1。隨后沖裁力迅速減小,當板料厚度被沖裁0.45時,板料斷裂,設此時為t2,沖裁結束后,機器開始進入下一個沖裁周期。計算得t1=0.014s,t2=0.019s,周期T=0.14s。根據(jù)t1、t2、T的數(shù)據(jù),加載到ANSYSworkbench得軸承載荷FAm=360kN,如圖4,軸承載荷FBm=264kN和下模板所受壓強Pm=1.92MPa,加載如同軸承載荷FA。3動態(tài)響應分析與優(yōu)化研究3.1簡化機體減振效果為研究不同材料下機身的減振效果,本計算簡化機身,直接將機身焊接在一起,即接觸方式為bond。分別賦予機身不同的材料,分析機身的減振效果。機身材料參數(shù)見表1。(1)b點響應分析將機身所有的材料都賦予Q235-a后通過有限元瞬態(tài)分析進行計算,得到橫梁立柱上A點的動態(tài)響應如圖5、圖6所示。通過圖可知A點瞬態(tài)響應的最大應力為22.8MPa,最大位移為0.2232mm。從收斂速度來看減振效果不是很好。在兩個沖擊脈沖之間,A點響應呈衰減的正弦自由振動,且在第二個沖擊脈沖來臨時,A點應力和位移都沒有衰減為零。這樣第一次的沖擊振動很容易與第二次的沖擊振動疊加造成更大更強烈的振動。(2)材料的動態(tài)應力和位移在瞬態(tài)分析中的響應機身由3種材料組成:橫梁:HT300;底座:QT600-3;拉緊螺桿:45號鋼。圖7、圖8分別顯示了A點的應力和位移在瞬態(tài)分析中的響應情況。從中可以看出A點最大動態(tài)應力大于鋼性材料的應力,位移也大于剛性材料的位移。而收斂速度明顯好于剛性材料的收斂速度,說明鑄鐵機身的減振效果好于鋼性機身。但采用鑄鐵后變形和應力都有少許的大。(3)動態(tài)應變儀測定動態(tài)應力將電阻應變片貼在機身立柱上A點位置,用YE3818/01動態(tài)應變儀和AZ216R數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集,并用CRASV6.2振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)提取動態(tài)應力曲線如圖9和圖10。通過測試可以看出,分析和測試非常吻合。3.2接觸的設置機身內部阻尼相對運動消耗的能量占總阻尼消耗能量的90%左右,是阻振的主要手段。此時為更好地模擬零部件的接觸又適當減少計算時間,本文將橫梁、底座和套環(huán)之間的接觸設置為NoSeparation(法向不分離,切向可以有小位移),將鎖緊螺母、大螺母和拉緊螺桿之間接觸設置為Bond(無相對位移)。同時為更深刻地了解添加預緊力是否能夠減振以及添加多大的預緊力減振效果更好,分別加載1.5F、2F的預緊力進行對比,其中F為高速壓力機的公稱力。(1)預緊力對a點沖擊響應的影響根據(jù)經驗添加1875kN的預緊力后測得A點的響應曲線如圖11、圖12所示。通過A點的應力和速度響應圖可知,添加預緊力后,響應曲線的衰減速度相比加快,當?shù)诙螞_擊來臨時,第一次的沖擊響應基本衰減為零,說明使用機身分體,并用預緊力通過拉緊螺桿連接在一起的機身,減振效果更好。(2)拉緊螺桿預緊力影響通過圖13、圖14可知,當預緊力增加后,應力響應的最大值變大,位移響應的最大值減小,收斂速度加快。說明增大拉緊螺桿的預緊力在一定程度上能夠起到減振效果,但隨著預緊力的增大,應力不斷增大。所以在機身疲勞強度允許的情況下,可以稍微增大拉緊螺桿的預緊力。(3)試驗考試的評估根據(jù)分析的工況測得機身立柱上A點的動態(tài)應力響應如圖15、16所示。通過測試可以看出,分析和測試基本吻合。4沖擊后動態(tài)響應分析在機身分體的基礎上,將機身材料由鋼Q235-a變成鑄鐵后,通過瞬態(tài)仿真分析和現(xiàn)場