大型压力试验机结构有限元分析

　　1　引言

　　大型压力试验机主要用于混凝土试件、混凝土结构件、金属材料及金属结构件的抗压强度试验，也用于公路桥梁支座成品力学性能试验。由于其工作时作用载荷较大，因此对结构的安全性和稳定性要求较高。在满足使用要求的前提下，对大型压力机关键件及整机整体进行有限元分析是很有必要的。

　　近年来，随着有限元方法日趋成熟，在机械、土木工程领域中的运用已经越来越广泛。它是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。其收敛性与精度已经经过理论的证明和实践的检验。有限元方法的大体步骤是：首先对模型进行剖分，将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合;然后对单元进行分析，进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开，建立一个线性插值函数;最后是求解近似变分方程。

　　本文以1000t压力试验机为例，采用有限元软件对压力机加载时的受力进行分析，并以此为基础对结构进行优化和改进。

　　2　整机模型建立

　　1000t压力机的机身是经过铸造、机械加工得到的复杂的实体。建立模型时对某些细节进行简化，根据计算的需要，本着尽可能多地保留实际结构的原则，对一些不影响整体受力的地方进行简化。主要有两方面的简化：

　　(1)实际中的螺钉结合的两个面简化成直接粘合在一起;

　　(2)丝杠与丝母看做一个整体，忽略其中的螺纹咬合。

　　由于这些细节的简化不影响构件之间力的传递，所以它对整体的影响是可以忽略的。图1为建立的压力机的三维实体模型。

　　由图1可见，整个机体主要由底座、横梁、丝杠和油缸等4部分组成。

　　3　试验机有限元分析

        3.1材料选取丝杠材料采用45#钢，底 座、横梁 材 料采 用QT600-3，油缸材料采用ZG310-570。材料的具体属性见表1。

　　3.2　单元类型选择和网格划分

　　有限元网格的划分直接影响到计算的精度与速度，是整个有限元分析步骤中的关键一步。对于三维实体模型，有两种单元类型可以使用，一种是六面体单元，一种是四面体单元。其中，四面体单元比较灵活，可以较好地逼近几何形状不规则的实体，但它的精度不如六面体单元。压力机的实体模型比较复杂，因此采用10节点的四面体单元。

　　网格的数量直接影响到计算的精度和规模的大小。在收敛的问题中，网格数量的增加会提高计算的精度，但也会增加计算的规模。而且当网格数量达到一定程度后，如果继续增加网格数目，计算精度提高的量很少，但计算规模却大很多。因此，在应力变化比较剧烈的地方增加网格密度，而在受力较小的地方使用较少的网格。图2为网格划分后的模型图。