基于有限元分析的液压机上横梁结构改进设计

核心提示： 图5 应变分布云图2 上横梁结构改进2.1 改进方案 进行了锻压机床上横梁结构分析后，可以得到以下改进方向：(1)整体的变形和应力值比较小，基于有限元分析的液压机上横梁结构改进设计(3)，对于材料的利用不够充分，可以对某些板件进行适当的减薄，改进设计方案效果良好，本文的分析思路和方法有较大

图5 应变分布云图

2 上横梁结构改进

2.1 改进方案

进行了锻压机床上横梁结构分析后，可以得到以下改进方向：(1)整体的变形和应力值比较小，对于材料的利用不够充分，可以对某些板件进行适当的减薄，但是必须要保证安全系数，这样可以节约材料，降低企业的生产成本；(2)主要技术参数上横梁两端与中间的变形差按照企业的要求不能放大，即要求在减薄板件的同时要考虑添加一些结构，使整体重量减小的目标达到的同时，上横梁横向变形差不能增大，若能做到减小就能进一步提高锻压机床的稳定性和精度。

针对上述特点，即锻压机床上横梁前后弯曲小，左右弯曲大，所要考虑的也是左右弯曲导致的中点与两端变形差。可以减薄前后方向(Z-Y)布置的板件，而左右方向(X-Y)布置的板件不予改变甚至可以加强。上横梁板件减薄必须符合工艺要求，因此采用以10mm为单位进行减薄，具体如下(图6)：

(1)1003-7板件由50mm减薄到40mm；1003-8板件由40mm减薄为30mm；1003-11板件由60mm减薄为50mm；(2)除了减薄板件外，还设计了一个减小上梁横向变形差的结构，即在上梁与立柱之间添加一个加强筋的结构(图7)。

图6 上横梁减薄板件

图7 添加的加强筋结构

2.2 改进后上横梁的有限元静力分析

对改进后的上横梁模型进行有限元分析，可以得到应力和变形分布云图(图8)。其中最大应力强度为174MPa，根据上横梁所用材料，虽然在减薄板件后最大应力增加，但所受的最大应力强度小于许用应力，仍在材料强度安全范围内。上横梁最大变形量为0.8mm(图9)，通过增加加强筋后上横梁变形量差减少，既达到了企业在机构重量减小的同时，又使得上横梁横向变形量差减小的目的。

3 结语

图8 优化后上横梁应力分布

图9 优化后上横梁变形

完成了结构改进后，将修改好的三维实体模型再次导入ANSYS Workbench软件中进行有限元分析。与改进之前比较，最大应力虽然有所增大，但在材料的安全使用范围内，安全系数也均满足要求。在减薄部分板件和添加加强筋结构后，上横梁横向的变形量差由初始的0.45mm减少到了0.38mm，满足企业提出的提高加工精度的工作需求。上横梁的重量从改进前到改进后降低了3％。整体上取得了既减轻机身重量，又减小了上横梁变形差的显著效果，同时也提高了强度和刚度，为机身结构的合理设计与改进提供了可靠的理论依据，改进设计方案效果良好。本文的分析思路和方法有较大的通用性和工程实践价值。在企业实际的工程应用中取得了比较明显的经济效益。