150MN水压机有限元分析

huzhiru1982

150MN水压机有限元分析
       摘 要：本文用ANSYS软件对150MN水压机整体框架进行了有限元分析，得到了各个部件在予紧力及150MN载荷作用下的各个部件的应力和位移分布情况，为设计提供充分的理论依据。  
　　关键词：ANSYS、水压机 、上梁、下梁、立柱、拉紧杆
　　　1. 前言
　　150MN水压机是目前国内最大的自由锻造水压机，能够进行镦粗、拉拔及各种大部件的锻造任务，特别是能进行数米直径容器桶节的锻造任务，其结构复杂，多件连接，结构尺寸庞大。且为浇注件，有限元前处理非常困难，本文通过命令流的方式对150MN水压机进行了有限元分析，分析计算了压机在拉紧杆预紧力的作用下，主要部件的应力、变形情况及装配后以150MN载荷工作时主要部件的应力、变形情况。
　　　2. 模型的建立
　　150MN水压机是三梁四柱结构，由下横梁、上横梁、活动横梁、立柱和拉紧杆等构成，上横梁、活动横梁、立柱、拉紧杆为单体部件，下横梁由拉紧螺栓及五个焊接结构件组成（图一）。在这里仅分析计算载荷在150MN时的应力变形情况，该情况时的载荷为对称载荷，忽略活动横梁对整个框架结构应力、变形的影响，取水压机框架结构的四分之一进行有限元分析计算，采用185号单元、179号单元及接触单元对模型进行单元划分处理，最后建立了水压机框架结构的有限元计算模型（图一）。

　　（图一）水压机模型图
　　　

3. 边界条件
　　由于水压机结构的对称性，取水压机框架结构的四分之一进行有限元分析，其对称面按对称约束进行处理，载荷分两步进行施加，第一步施加予紧力，第二步施加150MN的均布载荷（图二），求解也分两步进行，首先求解在予紧力作用时的应力、变形，然后求解有予应力且施加150MN均布载荷时结构的应力、变形。


　　  4. 计算结果
　　通过计算看到，在予紧力的作用下，拉紧杆的应力和变形都很大，第四强度理论合成应力的应力水平为117.474MPa，最大变形为19.325mm，最大合成应力出现在拉紧杆和螺母接触处，其值为232.678MPa。立柱按第四强度理论合成应力的应力水平为87.248MPa，最大变形为6.27mm，最大合成应力为168.592MPa，出现在立柱和上、下梁接触的角点上。下梁的合成应力水平为84.425MPa，最大合成应力为168.849MPa，出现在立柱和下梁接触的角点上。上梁的合成应力水平为87.67MPa，最大合成应力为175.232MPa，出现在拉紧杆螺母和上梁接触的处。在即有予应力又施加150MN均布载荷时，拉紧杆按第四强度理论合成应力的应力水平为146.64MPa，比初始予紧状态时的应力增加了20%，最大变形为19.325mm，没有变化，说明上、下梁和立柱间没有间隙，予紧力施加的较为合理，拉紧杆和螺母接触处的合成应力为287.903MPa，比初始予紧状态时的应力增加了20%，因为该处为多个螺纹进行接触，因此其实际应力值应该小于该值。
    立柱按第四强度理论合成应力的应力水平为38.105MPa，比初始予紧状态时的应力减少了56%，最大变形为3.973mm，比初始予紧状态时的位移减少了36.6%，说明了立柱的变形有了回弹，最大合成应力为72.217MPa，出现在立柱和上、下梁接触的角点上。下梁的合成应力水平为115.773MPa，最大合成应力为231.502MPa，出现在拉紧杆螺母和下梁接触的处。上梁的合成应力水平为104.685MPa，最大合成应力为207.792MPa，出现在拉紧杆螺母和上梁接触的处。上。下梁的应力主要以压应力为主，和材料的强度极限相差很远，因此，水压机是安全可用的。


5. 结束语
　　通过计算看到水压机的一般应力水平在38MPa~117MPa之间，而材料的屈服应力极限在300MPa以上，因此其一般应力水平的安全系数在2.5以上，设计合理可行。