摘要：对新开发的J92-10型开式数控回转头压力机机身受力进行有限元分析与计算，研究在公称压力下，机身不同结构形式及钢板厚度对变形的影响，以及机身的变形和应力布，依此对机身结构进行优化设计。
关键词：机身；有限元分析；优化设计
数控回转头压力机是一种利用数控技术对板料进行加工的锻压设备，机床的精度要求很高。机身作为压力机的一个关键部件，其强度和刚度对压力机的精度起着决定性的作用，它不仅影响压力机的工作性能、使用寿命，还直接影响安装在机床上的各种模具的寿命及成形零件的加工精度；故合理地设计机身具有十分重要的意义。因此，在设计J92-10型数控回转头压力机机身时，我们利用有限元方法分析机身的受力，并对机身结构进行优化设计，使其在方便零部件的安装和结构可靠性方面都达到了较好的效果。
1 机身结构模型
为了减轻整机的重量，缩短产品开发制造周期以及参考相关产品结构，整机采用板块式框架焊接结构。考虑到焊接加工的工艺性和预留其它零部件安装空间等因素，经过粗略分析后，得到初步设计的J92-10型开式数控回转头压力机机身的基本结构形式如图1（A）所示，它是由钢板焊接而成的空间板系结构。为便于安装其它部件，其中机身A处前端做成开口形式；顶部由B、C、D三块钢板焊接，中间留有间隔；机身后面由两块钢板焊接，中间也留有间隔；为安装传动部件，并起到加强作用，在喉口附近有两块厚20mm相隔175mm的筋板，如图1（b）所示。机身主钢板厚度为20mm；a处是安装主液压缸的位置，采用45mm厚钢板；为增加整个机身的强度与刚度，在喉口附近的主钢板上焊接了一定厚度的加强筋板。
（a）机身外结构（b）喉口筋板示意结构
图1 机身结构示意图
2 设计计算方法
在设计大型结构件时，传统方法是运用经典的力学方法对机身进行受力分析，此时必须对其构件结构作大量的简化，计算过程也很繁复，所得结果亦与实际情况相差较大，不足以对机身的强度与刚度作精确分析。因此，我们借用大型的结构有限元分析软件对J92-10型开式数控回转头压力机机身进行了受力分析与结构优化设计。
（1）网格划分技术
由于机身属于空间板系结构，所以采用位移与转动各自独立插值的Mindlin板单元和平面应力单元组成的弹性平板壳单元对模型进行网格划分，单元形状则为图1（a）所示四节点的四边形和三角形单元。这样既能在网格划分时较好地符合机身的形状，适量增加单元的数量，又能保证足够的精度，节约计算时间【4】。分析中以机身的实际尺寸建立相应模型，采取逐步细分网格的方法划分单元，并对应力变化较大和应力集中的区域再进行网格细分，以达到精确求解的目的。整个机身网格细分后如图2（b）所示，共划分7668个节点和7597个单元。
（a）四节点壳单元（b）机身有限单元网格
图2 四节点壳单元与机身有限单元网格
（2）边界条件的确定
对于机身的载荷和边界条件，因为压力机的公称压力较小，机床与地基的接触面积大，所以分析时不考虑地基的影响，只是对与地基接触的所有节点加上固定约束；对于力边界条件，由于液压缸安装在应力不敏感区域，同时机身只承受单向载荷，因此只在安装液压缸的机身A 钢板下底面和F面上加总压力为公称压力的均布外载荷。
3 机身结构优化
（1）初步计算
对图1（a）示的机身结构模型进行有限元分析，所得的结果如图3所示。其中图3（a）为为等效应力分布图、图3（b）机身的竖直方向的变形图。由图3可以看出机身工作时的最大应力位于上梁根部的上下两个部位，此处是机身强度最薄弱的环节，且由于顶部/ 处钢板尾端部正处于上梁的跟部，削弱了机身的受力。竖直方向的位移最大值则发生在梁-A处的前端部位，这都是因为机身上梁相当于一悬臂梁的结果，与实际情况相一致。另外，当图1 中A位置前端没有钢板连接时，此处承受主液压缸给A 处钢板底面的压力作用，将产生大的挠度，对机身的刚度也有较大的影响。
（a）等效应力（b）竖直方向变形
图3 机身初步有限元分析的应力、应变及变形分布
（2）优化设计
初步分析后，经研究发现顶部C处钢板的厚度和超出上梁跟部的长度、喉口E处的厚度和机身A处前端开口形式等对机身的强度与刚度存在不同程度的影响。因此在设计过程中，我们对机身相应部位的结构进行优化。优化的目标是选择合适的机身焊接结构与钢板厚度，尽量减轻机身的重量；而约束条件则包括机身强度与刚度（即受力后应力、应变和变形的大小），并受到零部件安装位置的影响。为寻求最佳结构，分别对等板厚、变板厚、变位置等多种机身结构模型进行计算分析，得到应力、位移与C钢板厚度和长度的关系以及应力、位移与喉口加强筋板和主钢板总厚度的关系分别如图4和图5所示。
（a）最大等效应力（b）竖直方向最大位移
（上梁底部厚20mm，喉口加强筋板和主钢板总厚50mm，A处前端开口直向焊接钢板部分封闭）
图4 应力、位移与C钢板厚度和超过筋板1长度的关系
（a）最大等效应力（b）竖直方向最大位移
（上梁底部厚20mm，C钢板厚40mm长度到筋板2，A处前端开口直向焊接钢板部分封闭）
图5 应力、位移与加强筋板和主钢板的总厚度的关系
（3）优化结果
进行结构优化设计，由分析结果以及图4和图5可得到如下结论：
1) 工作液压缸和回转台在机身的安装孔位均处于应力和变形不敏感区域，对机身受力的影响很小。
2) 上梁底部钢板厚度对机身的影响，经计算得其相对很小，故可取与主钢板厚度20mm一样。
3) 处前端开口形式对机身的受力状态有影响，部分封闭时机身的强度与刚度比完全开口时都有改善，竖直方向最大位移可降低5%，这是由于部分封闭时钢板使应力均匀与变形减小的结果。
4) 处钢板的厚度和长度对机身的强度与刚度存在比较大的影响。从图4可看出，最大应力与竖直方向最大位移基本上随钢板长度的增加而降低。但因为梁截面在筋板1位置突然过度，且筋板能阻碍变形，使应力在此处出现峰值。在两筋板间应力下降缓慢，但超出筋板2后应力下降明显。考虑到机床传动部件安装的方便，钢板长度可增加到筋板2位置，此时变形与应力都较为安全。随着钢板的厚度增加，梁的位移将减小，但最大等效应力略有升高。当钢板厚度较小长度不大时，最大应力出现在$ 板尾部附近的主钢板内，为压应力状态；随着C钢板的厚度与长度增加，最大应力将出现在喉口上梁底面附近的主钢板内，是拉应力状态，对机身的受力将产生不利的影响。从位移图看到，当C钢板超过40mm后，位移降低效果不大，应力略有升高，但钢板厚度每增加10mm重量将增加15kg，因此综合考虑C钢板采用40mm厚。
5) 喉口两侧的加强筋板和主钢板的总厚度增加也将使应力与变形降低，从图5得到，厚度大于50mm后，其对应力和变形的降低作用减弱，此时的应力与变形都处于合理的范围，且厚度每增加10mm重量增加45kg，故只取厚度为50mm。
4 结束语
运用有限元方法对开式数控回转头压力机机身进行受力分析计算与结构优化，能够准确地计算出机身各个部位的应力和应变，在保证机身强度、刚度以及部件安装方便的前提下，提供最优化机身的焊接结构形式与焊接钢板厚度，减少机身重量。
参考文献
【1】王卫卫·金属与塑料成形设备·北京：机械工业出版社，1996,5.：
【2】李培武，解春雷·153 - 1600型双盘摩擦压力机机身有限元分析·重型机械，1985.（8）：7 - 13
【3】高训涛，季忠等·闭式数控回转头压力机机身的有限元分析·锻压机械，1999（5）
【4】王勖成，邵敏·有限单元法基本原理和数值方法·北京：清华大学出版社，1997. 3：100 - 104(end)
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