曲柄压力机机身的静力分析

　　机身所受的曲轴作用力可根据曲轴工作原理,曲轴两端轴固定在机身两板之间并可周向转动。将曲轴的工作原理简化,其支点置于支撑颈的端部,因曲轴受力后产生弯曲变形,曲柄颈中部的变形大于两边的变形,因此连杆给予曲柄颈的作用力为非均布载荷,两端大、中间小,故可以简化为两个集中力作用在曲柄颈的两端。为了计算简便,可对载荷作一些简化:(1)齿轮对曲轴的作用力比连杆对它的作用力小得多,可忽略不计;(2)连杆对曲轴的作用力可近似看成等于公称压力,并分为两个集中力作用于连杆轴瓦两侧。简化后计算简图如图1所示,由应力图计算两支撑板所受的压强和。 

　　模具固定在机身上,滑块冲压模具时模具同时对机身底座有一个作用力,大小约等于公称力,由于在实际冲压工作时,机身底座往往受到的冲应力是不均匀的,实践操作发现,不均衡冲压对机身的破坏远超过均衡冲压,因此,本文对机身底座的受力分析假设为不均衡状态。 

　　大致取底面面积的70%为模具作用面积,载荷非均布,即一侧受力,另一侧受力,计算压强及,由于滑块对模具的冲压力不均衡,因此滑块受到不均衡反作用力,产生力矩作用在机身导轨上,则;由滑块结构可见,导轨的反作用力:0.7F=M;F=M/0.7;压强: 。 

　　机身装在地面上,用螺栓固定,螺栓面约束三个方向的位移,同时,与地面接触的机身底面面约束方向的位移。 

　　 

　　2 机身体的静力分析 

　　本分析在PRO/E中对滑块进行三维立体建模,通过ANSYS与PRO/E接口导入到ANSYS软件中。选用适合分析受力较复杂的三维形体的受力和变形状况的8节点且具有3个位移自由度的六面体单元划分网格,建立有限元模型,图2.1。 

　　根据机身体的受力情况,进行有限元分析,所得到的应力及应变分析结果如图所示: 

　　1.应力分析结果 

　　由于建模中忽略了焊缝及小孔处倒角,因此在应力云图中可以看到,圆角及筋板的一些连接处出现了应力集中现象,此处应力稍大,可以通过焊缝和加大圆角半径来解决。忽略集中应力,由应力云图可见,机身曲轴Ⅰ支撑板处最大应力在40～60MP之间(红色区域),下端面最大应力在20～40MP之间,由于受到不均衡力,因此在滑块导轨处受到正压力,其最大应力在40～60MP之间(红色区域),均小于许用应力。 

　　由应变云图可见,机身上横梁Ⅰ最大位移为0.321mm,两端位移约为0.221mm,因此横梁饶度,上横梁Ⅱ最大位移为0.185mm,两端最大位移约为0.150mm,因此横梁饶度 

　　,在许用饶度范围内,下端板中间位置最大位移为0.222mm,两端最大位移约为0.012mm,因此横梁饶度 

　　,在许用饶度范围内,由许用饶度的,机身立柱侧面许用应变,立柱侧面导轨处最大位移约为0.605mm,两端位移约为0.277mm,因此横梁饶度 

　　,在许用饶度范围内,机身有很大优化空间。 

　　 

　　3 机身体优化方案一 

　　由以上分析结果可见,机身有很大的优化空间,而侧板及多处筋板受力很小,可挖空或减薄。经过多次分析,选择具体可优化部分,确定具体优化方案为:立柱内侧筋板、Ⅲ板上、下端板厚度减薄;Ⅰ板由两块板焊接在一起,前、后端板厚度减薄;Ⅱ板由两块板焊接在一起,前、后端板厚度减薄;下底座支撑板厚度减薄。对优化后的力学模型进行有限元分析,得到分析结果如图3.1所示。 

　　忽略集中应力,机身曲轴Ⅰ支撑板及滑块导轨处(红色及黄色区域)应力均小于许用应力。由应变云图可见,横梁Ⅰ饶度,上横梁Ⅱ饶度,下端板饶度,机身立柱侧面饶度,均在许用饶度范围内。按此优化方案,优化后机身重量减轻了12.8%。 

　　 

　　4 结论与总结 

　　本分析只是在半理想状态下进行的分析,没有全面考虑实际运作过程中不定向因素的影响,对于所得结果仍需要在样机运行中进行验证,实际操作中遇到的问题需要根据实际情况进行分析研究。 

　　通过本比较分析,初步得出新设计滑块的合理性,在下一步工作中可将两优化方案相结合,尺寸优化与拓扑优化得到最佳优化方案,保证压力机质量的同时减少成本。