胡戰(zhàn)勝，趙升噸，董 朋，歐汝康，胡景鋒

（1.佛山市順德區(qū)榮興鍛壓設(shè)備有限公司 技術(shù)中心，廣東 順德 528312；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

機(jī)身是高速壓力機(jī)的重要組成零件，工作時(shí)要承受全部的變形力，其強(qiáng)度、剛度、承載能力及其動(dòng)態(tài)性能將直接影響沖壓制品的精度、模具和壓力機(jī)的使用壽命。閉式機(jī)身由于沒(méi)有C型機(jī)身角變形的缺陷，具有較高的剛度，因此在高速壓力機(jī)中被廣泛采用。如圖1a所示為我公司研制生產(chǎn)的某型閉式單點(diǎn)高速壓力機(jī)機(jī)身的3D模型，其特點(diǎn)是采用了箱型整體焊接的閉式結(jié)構(gòu)。

為達(dá)到即節(jié)省材料，又能使設(shè)計(jì)的機(jī)身結(jié)構(gòu)所具有的靜、動(dòng)態(tài)特性與工作環(huán)境、工況載荷等相適應(yīng)的目的，本文運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件及Ansys Workbench有限元分析軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析，求解出機(jī)身各部位應(yīng)力分布和變形情況，并通過(guò)模態(tài)分析得到機(jī)身的低階固有頻率和相應(yīng)的振型圖，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為進(jìn)一步精細(xì)化設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

1 機(jī)身的靜力學(xué)分析

靜力學(xué)分析是用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在固定不變載荷作用下位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的響應(yīng)，即探討結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力、應(yīng)變的大小和分布，它不考慮慣性和阻尼的影響，也不考慮隨時(shí)間變化載荷的影響。與固定不變的載荷對(duì)應(yīng)，結(jié)構(gòu)靜力分析中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也是固定不變的。利用ANSYS Workbench軟件中的靜力學(xué)分析模塊可以對(duì)機(jī)械設(shè)備在恒定載荷作用下應(yīng)力和變形等的分布進(jìn)行精確求解。

1.1 定義材料屬性

啟動(dòng)WB結(jié)構(gòu)流程圖的Engineering Data單元格，為分析系統(tǒng)添加分析對(duì)向的材料屬性。本文所述的機(jī)身采用優(yōu)質(zhì)鋼板Q235-A材料整體焊接，其材料屬性的楊氏模量、泊松比、密度的參數(shù)值分別為206GPa、0.28、7800/kg·m-3。

1.2 導(dǎo)入外部模型文件

根據(jù)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程圖樣，利用Solidworks軟件建立機(jī)身的3D模型。為保證幾何模型的一致性，將模型的三維裝配體（.sldasm）另存為零件模型（.sldprt）格式。

考慮到機(jī)身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為更合理有效地劃分網(wǎng)格單元，將工程問(wèn)題的實(shí)際模型簡(jiǎn)化為分析的物理模型，必須進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。根據(jù)圣維南原理，模型的局部細(xì)小變化和改動(dòng)并不會(huì)影響模型總的分析結(jié)果。因此本文對(duì)機(jī)身進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化處理：對(duì)明顯不影響機(jī)身強(qiáng)度、剛度的部位，如某些圓角、螺孔、凸臺(tái)等進(jìn)行簡(jiǎn)化和省略，但對(duì)于傳動(dòng)曲軸支撐孔處的凸臺(tái)、工作臺(tái)下方的筋板及靠近地基固定處的加強(qiáng)筋板不進(jìn)行簡(jiǎn)化。然后將簡(jiǎn)化后的三維幾何模型以Parasolid格式導(dǎo)入到ANSYS Workbench15.0中，如圖1a所示。

1.3 有限單元網(wǎng)格劃分

本文機(jī)身為整體焊接的箱型實(shí)體，因此采用3D網(wǎng)格劃分方式。在ANSYS Workbench中，對(duì)于3D網(wǎng)格的劃分有自動(dòng)網(wǎng)格（Automatic）、四面體網(wǎng)格（Tetrahedrons）以及六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分（Hex Dominant）三種可以選擇。由于四面體網(wǎng)格可以施加于任何幾何體，并且可以快速自動(dòng)生成，劃分比較簡(jiǎn)單，且在關(guān)鍵區(qū)域容易使用曲度和近似尺寸功能自動(dòng)細(xì)化網(wǎng)格，并使用膨脹細(xì)化實(shí)體邊界附近的格，實(shí)現(xiàn)邊界層識(shí)別，有助于面法向網(wǎng)格的細(xì)化，因此本文選用四面體單元對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種單元通過(guò)10個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有三個(gè)平移自由度，對(duì)塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變等問(wèn)題有很好的適應(yīng)性。

網(wǎng)格的疏密程度直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度，但并不是把單元?jiǎng)澐值脑郊?xì)越好。對(duì)單元?jiǎng)澐诌^(guò)細(xì)時(shí)，不僅對(duì)模擬分析的精度貢獻(xiàn)不大，反而會(huì)增加計(jì)算時(shí)間并占據(jù)更大的內(nèi)存空間，降低分析計(jì)算的效率。本文采用ANSYS Workbench對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，共有90580個(gè)節(jié)點(diǎn)，47841個(gè)單元。如圖1b所示。

圖1 機(jī)身3D模型及網(wǎng)格劃分示意圖

1.4 確定邊界條件及施加載荷

機(jī)身通過(guò)地腳螺栓與地基相連（假定地基為剛性固定平面），通常在安裝固定時(shí)還會(huì)設(shè)置防扭措施，因此將機(jī)身與地面接觸的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)定為6個(gè)自由度全約束。

（5）小淫婦兒，會(huì)喬張致的，這回就疼漢子？“看撒了爹身上酒”，叫的爹那甜。我是后娘養(yǎng)的，怎的不叫我一聲兒？（明·蘭陵笑笑生《金瓶梅詞話》第21回）

機(jī)身在工作時(shí)，承受兩個(gè)方向相反、大小相等的載荷。本文涉及的閉式高速壓力機(jī)公稱(chēng)力為2000kN,在分析其應(yīng)力和變形時(shí)，按實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取2200kN取代公稱(chēng)力，其中一個(gè)是作用在機(jī)身傳動(dòng)曲軸前后支撐孔上的兩個(gè)分力，方向Y+，載荷類(lèi)型為按余弦規(guī)律分布(在ANSYS中為Bearing load)的軸承載荷，由于支撐孔在壓力中心前后對(duì)稱(chēng)布置，因此大小分別為1100kN；另一個(gè)是作用于工作臺(tái)上支承平面，方向Y－，大小2200kN的均布力（Force）載荷。另外，由于機(jī)身重量較大，靜力學(xué)分析時(shí)要考慮其自重的影響，因此給機(jī)身施加向下的重力載荷。邊界條件和載荷施加狀況如圖2所示。

圖2 邊界條件及載荷施加示意圖

1.5 靜力學(xué)分析結(jié)果

在ANSYS Workbench的Static Structural中，對(duì)上述3D分析模型進(jìn)行計(jì)算求解，并設(shè)定靜力學(xué)分析目標(biāo)，運(yùn)行計(jì)算后分別得到機(jī)身等效應(yīng)力云圖、機(jī)身總變形云圖。

由圖3機(jī)身等效應(yīng)力云圖可以知道，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)身傳動(dòng)曲軸前后支撐孔的上半部受力區(qū)域及側(cè)窗口圓角位置，最大應(yīng)力為61.448MPa，機(jī)身采用Q235鋼焊接，屈服強(qiáng)度為235MPa，許用應(yīng)力為125MPa，則機(jī)身的安全系數(shù)為S=3.82，因此安全系數(shù)足夠，滿足強(qiáng)度要求；

由圖4機(jī)身總變形云圖可以看出，最大總變形為0.46356mm，最大變形發(fā)生的位置在傳動(dòng)曲軸前后支承孔上半部的受力區(qū)域，此處變形過(guò)大時(shí)將導(dǎo)致導(dǎo)軌在中部出現(xiàn)附加力，影響滑塊運(yùn)行的精度因此，為提高壓力機(jī)剛度和導(dǎo)軌運(yùn)行精度，此處的結(jié)構(gòu)需適當(dāng)予以強(qiáng)化。

圖3 等效應(yīng)力云圖

圖4 總變形云圖

2 機(jī)身的模態(tài)分析

隨著高速壓力機(jī)行程次數(shù)的提高，作為最重要載體的機(jī)身容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。通過(guò)單純的靜態(tài)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已不能完全滿足工程實(shí)際的需要，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮各種動(dòng)態(tài)因素的作用，對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析，以確保機(jī)身安全、可靠和具有必要的抗振性能。

如果所設(shè)計(jì)的機(jī)身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性不能與其使用的環(huán)境相適應(yīng)，即結(jié)構(gòu)模態(tài)與激勵(lì)頻率發(fā)生耦合，則機(jī)身會(huì)產(chǎn)生共振和噪音，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)拐_(tái)壓力機(jī)發(fā)生抖振，導(dǎo)致局部發(fā)生疲勞破壞。

通過(guò)對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，確定其固有頻率、固有振型等模態(tài)參數(shù)，可以預(yù)估其在工作狀態(tài)下的振動(dòng)情況，然后借助模態(tài)分析結(jié)果，找出有害的振型和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位置，通過(guò)改變機(jī)身的局部結(jié)構(gòu)，使其按要求的方向改變動(dòng)態(tài)特性，從而使其強(qiáng)度、剛度符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

為了達(dá)到減振、降噪的效果，在對(duì)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，提出如下的模態(tài)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)：

（1）機(jī)身的模態(tài)頻率應(yīng)避開(kāi)電機(jī)經(jīng)常工作的頻率；

（2）機(jī)身的低階固有頻率應(yīng)避開(kāi)壓力機(jī)工作頻率。

固有頻率和振型是機(jī)身承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。對(duì)高速壓力機(jī)的機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，就是要得到其固有頻率及相應(yīng)階次的模態(tài)振型，然后根據(jù)設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使得機(jī)身的模態(tài)頻率滿足要求，從而避免發(fā)生共振。

利用Ansys Workbench的Modal模態(tài)分析模塊，將機(jī)身靜力學(xué)分析模型卸載，然后對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析 (采用默認(rèn)的Block Lanczos模態(tài)提取方法)，得到前六階固有頻率，如表1所示。

表1 機(jī)身前六階的振幅和固有頻率

圖5～10為模態(tài)分析后得到的振型圖，說(shuō)明如下：

圖5為機(jī)身一階振型圖，該振型中機(jī)身振動(dòng)幅值不是很大，主要表現(xiàn)為機(jī)身在XY平面內(nèi)沿左右方向的擺動(dòng)。振動(dòng)幅度由下向上逐漸增大。由于機(jī)身通過(guò)地腳螺栓固定在地基上，因此最大振幅出現(xiàn)在機(jī)身的頂部，振幅幅值為0.40mm。該振型的危害是使滑塊中心偏離下工作臺(tái)的中心，影響壓力機(jī)和沖壓制品的精度并加速模具的磨損。圖6為機(jī)身二階振型圖，為機(jī)身在XZ平面內(nèi)繞Y軸的扭曲變形，該振型除了有類(lèi)似一階振型的危害外，由于機(jī)身的扭曲變形，還會(huì)影響齒輪的正常嚙合以及滑塊的正常導(dǎo)向，需要特別注意。

圖5 一階振型圖

圖6 二階振型圖

圖7為機(jī)身的三階振型圖，該振型的機(jī)身表現(xiàn)為沿前后方向的擺動(dòng)，從動(dòng)態(tài)過(guò)程可以看出，該振型圖自下而上擺動(dòng)幅度逐漸增大，前后方向振幅最大的節(jié)點(diǎn)位置在齒輪油箱后面板的頂部紅色云圖區(qū)域，幅值最大為0.56mm。該振型的危害類(lèi)似一階振型，將影響壓力機(jī)的精度和模具壽命。圖8為機(jī)身的四階振型圖，從該振型圖的動(dòng)態(tài)發(fā)生過(guò)程可以看出，機(jī)身繞Z軸沿四個(gè)對(duì)角方向扭曲變形且幅度較大，幅值達(dá)到0.59mm，該振型的危害性是不僅使傳動(dòng)連接各部產(chǎn)生大的交變應(yīng)力，而且影響滑塊的運(yùn)行精度和模具的使用壽命。

圖7 三階振型圖

圖8 四階振型圖

圖9 五階振型圖

圖10 六階振型圖

圖9為機(jī)身的五階振型圖，從該振型圖的動(dòng)態(tài)模擬可以看出，整機(jī)只有微小的擺動(dòng)，但齒輪油箱后面板沿前后方向的扭曲變形自下而上逐漸增大，最大幅值出現(xiàn)在齒輪油箱后面板的中間位置的頂部，幅值達(dá)到3.55mm；該振型的存在，對(duì)齒輪后面的運(yùn)動(dòng)輸出軸連接將產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響連接的安全和可靠性。應(yīng)采取適當(dāng)措施對(duì)該處結(jié)構(gòu)予以加強(qiáng)。圖10為機(jī)身的六階振型圖，該振型的機(jī)身表現(xiàn)與一階振型類(lèi)似，表現(xiàn)為機(jī)身沿左右方向彎曲變形，不同的是，變形的主要區(qū)域發(fā)生在側(cè)主壁板中下部。此彎曲變形的幅值達(dá)0.71mm，將在機(jī)身導(dǎo)軌處給滑塊導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的擠壓應(yīng)力，影響滑塊的正常運(yùn)行。

對(duì)高速壓力機(jī)的模態(tài)分析，應(yīng)使重要零部件的低階固有頻率避開(kāi)壓力機(jī)的工作頻率和電機(jī)的工作頻率。本文所涉及的2000kN高速壓力機(jī)電機(jī)采用寬頻三相異步電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速不超過(guò)1470轉(zhuǎn)/分，故驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作頻率小于24.5Hz；滑塊的行程次數(shù)最大200次/分，則壓力機(jī)的工作頻率小于3.33Hz。而機(jī)身的一階固有頻率為31.314Hz，大于壓力機(jī)和電機(jī)的工作頻率，故認(rèn)為發(fā)生共振的可能性不大，動(dòng)態(tài)特性可滿足使用要求。

但考慮到電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的工作頻率與機(jī)身一階固有頻率比較接近，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，以盡量避開(kāi)機(jī)身的低階固有頻率，減小共振發(fā)生的可能性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)三維實(shí)體軟件Solidworks2016建立了高速壓力機(jī)機(jī)身的3D模型，并詳細(xì)介紹了運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析的方法和步驟，得出如下結(jié)論：

（1）由靜力學(xué)分析，得到機(jī)身有效應(yīng)力和變形分布情況的云圖，分析結(jié)果驗(yàn)證了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度滿足使用要求。應(yīng)力和變形最大的位置位于傳動(dòng)曲軸前后支撐孔的上半部受力區(qū)域及側(cè)窗口圓角位置，因此此處做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)，可進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)身的結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度和剛度。

（2）通過(guò)模態(tài)分析，得到機(jī)身前六階固有頻率和相應(yīng)的振型圖。從分析結(jié)果可清晰了解機(jī)身在各低階固有頻率下的振動(dòng)情況，驗(yàn)證了現(xiàn)有機(jī)身結(jié)構(gòu)發(fā)生共振的可能性較小，動(dòng)態(tài)特性滿足要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，若適當(dāng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，使其工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)身的一階固有頻率以及改變齒輪油箱后面板振動(dòng)變形最大位置處的結(jié)構(gòu)，對(duì)提高機(jī)身的動(dòng)態(tài)特性有直接益處。