基于瞬態(tài)分析的機(jī)身結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力和位移響應(yīng)研究

隨著高速壓力機(jī)壓力速度和壓力機(jī)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(jī)減壓的研究是一個(gè)永恒的話題。另外壓力機(jī)噸位的不斷提高,機(jī)身結(jié)構(gòu)變大,造成制造和運(yùn)輸?shù)睦щy,所以壓力機(jī)機(jī)床的分體結(jié)構(gòu)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(yù)緊力下機(jī)身的減振效果,找出了機(jī)身減振的最佳方法。1單元網(wǎng)格劃分壓力機(jī)機(jī)身分為開式機(jī)身和閉式機(jī)身兩大類,機(jī)身結(jié)構(gòu)分為鑄造結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)兩種。其中閉式機(jī)身分成橫梁、底座,采用拉緊螺桿,連接成閉式框架結(jié)構(gòu)。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(shí)體單元之間自動切換劃分。因有限元瞬態(tài)分析非常耗時(shí),又因機(jī)身可近似看成前后左右對稱的機(jī)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(shè)為6,加載2個(gè)周期的載荷,總時(shí)間為0.28s,其中沖擊時(shí)間段的時(shí)間步長為0.0005s,其他時(shí)間段的時(shí)間步長為0.005s。2沖裁機(jī)進(jìn)入沖裁周期瞬態(tài)分析中,為模擬機(jī)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(jī)床所受沖裁力的變化規(guī)律。當(dāng)板料被沖裁1/3時(shí),沖裁力達(dá)到最大值Fm,設(shè)置此時(shí)為t1。隨后沖裁力迅速減小,當(dāng)板料厚度被沖裁0.45時(shí),板料斷裂,設(shè)此時(shí)為t2,沖裁結(jié)束后,機(jī)器開始進(jìn)入下一個(gè)沖裁周期。計(jì)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(qiáng)Pm=1.92MPa,加載如同軸承載荷FA。3動態(tài)響應(yīng)分析與優(yōu)化研究3.1簡化機(jī)體減振效果為研究不同材料下機(jī)身的減振效果,本計(jì)算簡化機(jī)身,直接將機(jī)身焊接在一起,即接觸方式為bond。分別賦予機(jī)身不同的材料,分析機(jī)身的減振效果。機(jī)身材料參數(shù)見表1。(1)b點(diǎn)響應(yīng)分析將機(jī)身所有的材料都賦予Q235-a后通過有限元瞬態(tài)分析進(jìn)行計(jì)算,得到橫梁立柱上A點(diǎn)的動態(tài)響應(yīng)如圖5、圖6所示。通過圖可知A點(diǎn)瞬態(tài)響應(yīng)的最大應(yīng)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(gè)沖擊脈沖之間,A點(diǎn)響應(yīng)呈衰減的正弦自由振動,且在第二個(gè)沖擊脈沖來臨時(shí),A點(diǎn)應(yīng)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(qiáng)烈的振動。(2)材料的動態(tài)應(yīng)力和位移在瞬態(tài)分析中的響應(yīng)機(jī)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(diǎn)的應(yīng)力和位移在瞬態(tài)分析中的響應(yīng)情況。從中可以看出A點(diǎn)最大動態(tài)應(yīng)力大于鋼性材料的應(yīng)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(jī)身的減振效果好于鋼性機(jī)身。但采用鑄鐵后變形和應(yīng)力都有少許的大。(3)動態(tài)應(yīng)變儀測定動態(tài)應(yīng)力將電阻應(yīng)變片貼在機(jī)身立柱上A點(diǎn)位置,用YE3818/01動態(tài)應(yīng)變儀和AZ216R數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(shè)置機(jī)身內(nèi)部阻尼相對運(yùn)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(shí)為更好地模擬零部件的接觸又適當(dāng)減少計(jì)算時(shí)間,本文將橫梁、底座和套環(huán)之間的接觸設(shè)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(shè)置為Bond(無相對位移)。同時(shí)為更深刻地了解添加預(yù)緊力是否能夠減振以及添加多大的預(yù)緊力減振效果更好,分別加載1.5F、2F的預(yù)緊力進(jìn)行對比,其中F為高速壓力機(jī)的公稱力。(1)預(yù)緊力對a點(diǎn)沖擊響應(yīng)的影響根據(jù)經(jīng)驗(yàn)添加1875kN的預(yù)緊力后測得A點(diǎn)的響應(yīng)曲線如圖11、圖12所示。通過A點(diǎn)的應(yīng)力和速度響應(yīng)圖可知,添加預(yù)緊力后,響應(yīng)曲線的衰減速度相比加快,當(dāng)?shù)诙螞_擊來臨時(shí),第一次的沖擊響應(yīng)基本衰減為零,說明使用機(jī)身分體,并用預(yù)緊力通過拉緊螺桿連接在一起的機(jī)身,減振效果更好。(2)拉緊螺桿預(yù)緊力影響通過圖13、圖14可知,當(dāng)預(yù)緊力增加后,應(yīng)力響應(yīng)的最大值變大,位移響應(yīng)的最大值減小,收斂速度加快。說明增大拉緊螺桿的預(yù)緊力在一定程度上能夠起到減振效果,但隨著預(yù)緊力的增大,應(yīng)力不斷增大。所以在機(jī)身疲勞強(qiáng)度允許的情況下,可以稍微增大拉緊螺桿的預(yù)緊力。(3)試驗(yàn)考試的評估根據(jù)分析的工況測得機(jī)身立柱上A點(diǎn)的動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)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(yīng)分析在機(jī)身分體的基礎(chǔ)上,將機(jī)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