扬州锻压机床股份有限公司 江苏扬州 225128

机身作为高速压力机主要的组成部件，设备上所有的零部件都安装在机身上，它在设备运行时承受着全部的工作变形力。因此，对高速压力机机身合理的设计可以有效减轻压力机承受重量，并增加压力机机身刚度，使高速压力机的使用寿命得到有效延长。众所周知，高速压力机的机身几乎占据着整个设备的比重，对于相关企业来说，在保证机身刚度的同时，也应重视如何降低机身的制作成本，从而提高企业经济效益。此外，若按照传统的设计分析方法进行计算，无法深入了解机身各部位的变形情况以及受力状态，有时虽然增加了机身重量，却达不到机身标准刚度，从而造成材料的浪费。因此，为了充分利用材料性能，提高产品设计合理性，采用有限元分析法进行优化设计非常必要。随着CAD建模技术的普及，应用限元分析现代高速压力机结构已经成为工程设计师首要选择，同时也在实际应用中取得了一定成效。

1 高速压力机机身静力学分析

机身的静力学分析主要是用来计算机身在固定不变的荷载情况下设备位移、应力以及应变的响应情况，即探讨机身结构受到外力作用后的变形、承载力以及应变大小和分布，并排除惯性作用和阻尼力的影响，也不考虑时间因素对机身荷载的影响。结构静力分析中结构的响应与固定不变的载荷对应，也是固定不变的，应用Femap With Nastran软件中的静力分析模块对机械设备在恒定载荷作用下对应力和变形的分步进行分析和求解。

1.1 有限元模型的建立和分析

首先，本文所述的机身均采用优质钢板Q235-A材料进行整体焊接。根据机身结构设计的工程样图，利用三维设计软件建立机身的3D模型，同时考虑到机身结构的复杂性，为了更加合理的划分网格单元，并将工程问题中实际模型简化为可以进行分析的物理模型。在进行有限元分析过程中，需要按章设备功能以及机身荷载标准值进行设计，然后建立几何模型，这是分析的关键，也是成功的理论基础。本文主要用三维软件（SolidEdge）建立机身模型，之后再将建成的模型导入进有限元分析软件（Femap With Nastran）中，从而完成对高速压力机机身的数据分析。另外，依据圣维南原理（圣维南原理Saint Venant’s Principle是弹性力学的基础性原理）得出：由于机身构建较为复杂，为了更方便、清晰的划分结构网格进行有限元分析，应对机身模型的建立更加规范、合理，对于那些几乎不会影响到机身刚度和强度的零部件，例如销孔、螺孔、圆角等给予简化。

1.2 有限单元网格的划分

采取3D网格划分方式。在有限元分析软件中，对于3D网格划分主要分为自动网格、四面体网格以及六面体网格划分三种形式。其中四面体网格可以应用于任何几何体，划分简单且自动生成速度较快，在关键区域能使近似尺度功能以及曲度自动细化网格，并实现边界层识别，这种划分方式有助于面法向网格的细化，因此本文主要选取四面体网格划分方式对机身模型进行细分。虽然网格分布的疏密程度很大程度上影响着计算结果的准确度，但并不是越细分网格计算结果就越精确。过于细分时，不仅对模型分析和计算的数据精确度没有帮助，反而还会增加计算时间，占用更大的内存空间，从而降低计算效率。本文采取的有限元分析软件对机身模型的具体划分标准为：共有90580个节点以及47841个单元，划分的质量和数量均符合标准需求[1]。

1.3 对边界调节以及施加载荷的确定分析

闭式单点高速压力机的机身主要通过地脚螺栓与地基相连，另外在安装固定过程中设置有效的防扭措施，以此将机身与地面接触的节点安排为6个自由度是最标准的设置。

机身在运行时，一般承受着来自两个方向相反、大小相等的载荷力。本文分析的闭式单点高速压力机的载荷力为2000KN，在分析机身的应力和变形时，依据实际经验，取2200kN为公称力。另外，由于机身具有较大的重量，在分析静力学时也要将自身的重量考虑进去，因此需要给机身施加一个向下的重力载荷。

1.4 分析结果

在三维设计软件以及有限元分析软件中，对高速压力机机身3D分析模型进行计算求解，并设定静力学分析目标。运行计算后得出高速压力机机身等效应力云图。分析机身等效应力图可得出，最大应力出现在机身传动曲轴前后支撑控的上半部受力区域及侧窗口圆角位置，具体数值为61.448MPa。此外，机身的屈服强度为235MPa，应力为125MPa，安全系数为S=3.83，因此，该机身在承受荷载是，其所受的最大应力等均满足设计需求，并且整个机身受力以及变形较为均匀，所以此机身的结构设计均合理[2]。

2 高速压力机机身模型分析

随着机身运行次数的增加，作为最重要的设备载体，机身很容易产生震动和噪音。在对机身结构设计前，必须将以上因素考虑进行，通过对设计结构进行动力学分析，从而确保机身的抗振性能。为了进一步达到机身降噪、减振效果，在对机身进行有限元分析过程中，应提出以下模型分析评价指标：①模型频率需要错开设备经常工作的频率；②机身的低阶固有频率要避开高速压力机工作频率。机身的固有频率和振型是在设计动态载荷结构中重要数据依据。因此，对高速压力机的机身进行模态分析时，必须得到与固有频率相对应的模态珍惜，然后依据设定标准，在结构设计时使机身模态频率满足标准要求，从而降低机身共振。

本文通过对闭式单点高速压力机机身进行有限元分析，得出了以下结论：应用有限元分析软件能精准的计算出机身在不同位置下应变以及应力的分布情况，并依据其在公称荷载作用下的分析结果，可确定高速压力机机身的应力、结构分布以及应变设计均在合理范围内。

综上所述，应用有限元分析法不仅能提高高速压力机机身的结构设计质量，还能有效缩短工程师的设计周期，并降低设计成本以及能源消耗，从而有效提高设备整体技术性能。