旋压机旋轮座有限元分析

　　QX63-20大型旋压机铸造旋轮座有限元分析和测试在国内尚属首次.以三维等应力线彩色圆像型式显示有限元计算结果,便于使用.

　　1　旋轮座有限元力学模型

　　1.1　单元剖分

　　网格剖分是复杂结构有限元计算的难点.虽然图形工作站中有某些网格自动生成功能,由于实际结构的复杂性,且要求网格剖分与受力点和测试点相协调,因而采用手工剖分和网格自动生成相结合的方法.首先将机械图简化成轴侧图(图1),根据结构特点,采用8节点等参元.由轴侧图中可以看出,肋板交错、结构复杂.前部有竖直肋板4个,后部有互相成120°的肋板6个.将旋轮座沿z方向分成6部分.由于1,2,3,4,5各部分结构形式,肋板方向一致,第6部分的结构、肋板方向与前5部分不同.选取第5和第6部分的交界面为单元剖分的基准面.基准面的正确选取是单元剖分的关键.

　　根据8节点单元剖分原则,基准面分成394个节点.基准面的网格剖分如图2所示.将基准面上的节点沿z方向向各层映射,依次得到第4,3,2,1层节点,第6层节点除了进行节点映射外,还要进行适当的处理.结构单元剖分如图3所示.

　　1.2约束条件

　　旋轮座工作时做匀速进给运动,加速度为零,即无惯性力.约束为限制主轴方向的刚体运动.约束如图4,沿机床纵向所有各层阴影部分节点的自由度为　零.旋轮座通过导轨与床身紧密相联。

　   由于导轨刚性较大,在导轨与座体接触处采用边界弹簧元.边界弹簧元如图4,沿机床纵向所有各层1～10节点为弹簧元的起点.

　　1.3　节点力的计算

　　外载荷如图5所示

　　第1种工况:F₁=392 kN,F₂=19.6 kN,F₃=130.663 kN ,F₄=196 kN.

　　第2种工况:F₁=588 kN,F₂=29.7 kN,F₃=196kN,　F₄=297 kN.

　　加工直径分别为6cm, 10cm, 23.4cm和30cm.将外载荷转化为节点力是有限元分析的又一难点.由于载荷工况多,难以用常规计算方法实现.首先将F₁,F₂,F₃,F₄转化为作用在导轨上的分布力,再由表面分布力转化为节点的集中力.我们编写了FOR-TRAN程序,将2种工况4种加工直径下的外载荷转化为节点力,经程序自动校对,求得每一种工况的85个节点的节点力.

　　2　有限元计算结果

　　该课题是在中科院现代制造CAD/CAM技术开放实验室中,使用BRAVO工作站完成的.有限元计算结果以数据形式输出,并以等应力线的形式显示.可以显示所需截面的应力和位移,本文选取了部分结果,如图6所示.从图6(a)中可以看出,旋轮座开口处存