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基于Abaqus的多接触自由锻造压机侧隙量研究分析

王勇勤^①1，衡雨晴¹，严兴春¹，韩炳涛²，张营杰²，张君²

(1．重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400030；2．中国重型机械研究院，陕西 西安 721000)

摘 要：为了研究自由锻造压机侧隙量对压套与上、下梁的接触状态以及上、下梁强度的影响，以Abaqus软件为工具建立了多个接触对的有限元模型并进行了不同侧隙量工况时的计算，分析结果表明：侧隙量越大，压套与上、下梁的接触状态越来越好，但是上梁以及下梁的变形、最大主应力越大；经过反复计算得到侧隙量取1．57mm时接触情况较好，且应力值在100MPa以内，研究成果对于如何设定侧隙量有一定的参考价值。

关 键 词：自由；锻压机；侧隙量；接触；有限元

1 引言

自由锻造压机动梁以及侧梁与压套之间间隙取值的大小，对于自由锻造压机整体性能具有一定的影响。张营杰、侯永超等对大型自由锻油压机的上横梁以及固定梁通过有限元分析计算研究了应力以及位移情况^[1－2]；王勇勤、严兴春等通过对165MN自由锻造油压机组合梁进行强度以及模态分析研究它的应力、变形以及动态特性，为其优化设计提供指导^[3－4]；杨甲申等对超大型锻压机的组合梁进行了结构强度、刚度模拟分析，得出在不同工况时的应力、变形状况^[5]；秦东晨等建立结构优化设计的数学模型，采用序列二次规划法结合有限元法针对液压机横梁结构进行优化设计^[6]；李艳聪等通过建立整机的强度数学模型以及刚度数学模型，以高刚度和轻量化为目标进行液压机优化设计^[7]；杨建民对比了机身整体计算与组合计算的差别以及网格密度对于机身计算的影响，研究各结构参数和预紧参数对机架整体性的影响^[8]；沙新勇对全预紧结构的液压机开缝情况进行了研究并通过实验进行了验证分析^[9]；吴生富对全预紧组合机架整体性的影响因素进行研究，并且对动梁立柱间的预置间隙进行了分析，研究了间隙大小对于动梁的影响^[10]。虽然目前对于自由锻造压机的研究较为全面，但是对动梁以及侧梁与压套之间的间隙大小对于压机的影响研究比较少，而且只研究了间隙大小对动梁的影响，间隙大小与自由锻造压机框架之间的关系并没有进行深入研究。

本文以大型有限元软件Abaqus为工具研究侧隙取值变化时，压套与上、下梁的接触情况以及上、下梁的变形以及应力的影响，并且通过综合考虑压套与梁的接触情况以及上下梁的应力以及变形，得到符合要求的间隙大小。

2 自由锻造压机模型建立

自由锻造压机采用的是双立柱上传动模式，与四柱压力机相比，其锻造空间大，允许环类件沿压力机横向超出立柱，可安装尺寸更大的辅具，操作视域非常宽阔。与下拉式快锻压机相比，该结构运动部件质量小，主要部件安装在地面以上，方便观察以及检修，如图1所示。

该锻造压机主要由上横梁、下横梁、活动横梁，侧梁，拉杆，压套等组成。上下横梁与拉杆，压套通过施加预紧力组成了整体框架结构，承担全部载荷。左右两个侧梁与活动横梁分别通过12根小拉杆与螺母实现预紧，活动横梁以立柱为导向，在上、下横梁之间往返运动，实现锻打加工过程。

为了更加真实的反映实际工作状态下自由锻造压机上、下梁的应力以及变形情况，模型中考虑了重力的影响。该模型取全模型进行分析，接触情况极其复杂，动梁与左右两个侧梁的接触情况相同，如图1中A－A视图右侧箭头所示，通过拉杆螺母施加预紧力使得侧梁的凸台与动梁的凹槽实现接触。动梁与侧梁上的导向块与压套的接触情况如图1中A－A视图左侧箭头所示。上、下梁与压套的接触面形状如图1中所示，对整体模型共设置了75个接触对，约束位置为图1所示的地脚螺栓处，工作载荷为施加区域为图1中上、下横梁以及动梁的零件示图中的左侧高亮区域。为了准确描述工作工况，该模型共划分了大约280万个单元，有限元模型如图2所示。由于接触情况复杂，网格数量极多，在2个CPU(均为6核)、24G内存的工作站上运算需要5个多小时的计算时间。

3 不同侧隙时模型的计算结果及讨论

压套与侧梁以及动梁的接触关系如图3所示。图中分别表示了三维模型中压套与侧梁以及动梁接触位置，并且显示了它们之间零间隙和有间隙的示意图。

将压套与侧梁以及动梁的间隙值分别取0、0．5mm、1．0mm、1．5mm、2．0mm，进行对压工况下的分析研究，发现当侧隙取值变化时，上、下梁与压套的接触情况以及上、下梁的应力与变形都有较大影响。

上、下横梁与压套的接触情况如图4所示，深色区域为不同间隙下的上、下梁在工作时接触面积的大小。由分析结果可知，当无间隙的时候，对压工况下，上梁与下梁与压套均只有大约压套接触面面积大小的一半发生接触，随着压套与动梁和侧梁之间间隙的增大，上、下梁与压套的接触情况越来越好，即压套与梁之间的开缝越来越小。图4自由锻造压机上、下横梁与压套的接触情况当侧隙值变化时，上、下梁的最大位移、最大主应力值变化趋势相同(如图5所示)，即：随着侧隙值的逐渐变大，上梁以及下梁的最大位移量越来越大，上、下梁在工作压力的作用下越来越容易发生变形；但是，随着变形量的增大，如图5b)中所示，最大主应力的应力值均呈上升趋势。

当侧隙量在0～1．5mm范围内时，随着侧隙量的增大，应力值基本呈线性增大，但是当侧隙值取到1．5mm之后的时候，应力值的增幅明显减小。这主要是由于当侧隙量增大到一定值之后，侧梁与动梁对整体框架的变形限制的影响越来越小，直到最后侧隙值大于压套工作时的变形量，即侧隙值对于整体框架没有影响。

4 结论

1)随着侧隙量取值的逐渐增大，压套与上、下梁的接触状态越来越好，开缝越来越小，但是上梁以及下梁的变形，最大主应力呈上升的趋势；

2)当侧隙量取值到1．5mm之后，应力值增幅越来越小，接触状况越来越好，但是由于变形量会增大，所以综合考虑应力，接触，变形等因素，通过计算得到，在侧隙量取1．57mm时接触情况较好，应力值在100MPa以内，符合要求。

参 考 文 献：

[1]   张营杰，侯永超，范玉林．大型自由锻造油压机固定梁的有限元分析[J]．大型铸锻件，2008(2)：1－3．

[2]   侯永超，房志远，张营杰．大型自由锻造油压机上横梁的有限元分析[J]．锻压装备与制造技术，2008(1)：32－34．

[3]   王勇勤，林秉敬，严兴春等．165MN自由锻造油压机组合梁强度分析研究[J]．机械设计与制造，2009(5)：178－180．

[4]   严兴春，江桂云，王勇勤等．165MN自由锻造油压机组合梁模态分析[J]．锻压技术，2009(2)：71－74．

[5]   杨甲申，韩炳涛，成先飙等．大型锻压机组合梁的强度刚度分析[J]．重型机械，2007(3)：32－34．

[6]   秦东晨，祁建中，张明成等．液压机横梁结构的优化设计[J]．锻压技术，2004(2)：49－52．

[7]   李艳聪，张连洪，刘占稳等．刚度和质量驱动的预紧组合框架式液压机多目标优化设计．机械工程学报，2010(1)：140－146．

[8]   杨建民．120MN锻造液压机本体整体性研究[D]．燕山大学，2007．

[9]   沙新勇．全预紧组合结构液压机的整体性研究[D]．燕山大学，2010．

[10]   吴生富．150MN锻造液压机本体组合结构研究[D]，燕山大学，2006．