拉杆预紧结构的力学建模与八万吨压机横梁结构的优化

摘要

重型模锻液压机是指吨位在100MN以上，对工件进行整体变形压制的液压机。重型模锻压机的设计、制造能力，及其拥有这类压机的数量和等级，是一个国家的国防工业、机械制造工业的综合生产能力及技术水平的重要标志，具有明确的战略意义。无论是发达国家还是发展中国家，都十分重视重型模锻压机的发展。本文综合运用理论分析、数值模拟、优化和实验测试等多种手段对我国自主研制的八万吨重型模锻压机上板梁、活动横梁、固定下梁等组合承载结构的建模方法、整体性和应力分布等关键性问题进行了系统的研究。 本文基于三维有限元弹性接触理论深入研究了拉杆组预紧组合承载结构的建模方法。探讨了仿真环境中拉杆预紧力的施加方法，并对比分析了不同拉杆预紧方法在预紧和承载两种工况下的效果。据此提出了不同工况下合适的拉杆预紧方法以及成组拉杆预紧力优化时的程序。 本文主要对活动横梁的整体性进行了有限元分析，指出活动横梁的整体性主要体现为两片中梁间的开缝问题。系统地研究了拉杆数目、中梁形状、楔键位置等结构参数，以及拉杆预紧力、外载等力能参数对活动横梁整体性的影响。并在上述研究的基础上提出了对八万吨模锻压机活动横梁设计的改进方法，并对动梁最终设计方案进行了分析。结果表明最终方案明显优于原方案：最大开缝由0.36 mm降到0.079mm，减幅达78％。 本文考察了八万吨模锻压机横梁结构各部件的应力分布。系统地研究了固定下梁中梁顶出孔内应力集中的成因，提出了修改应力集中因素形状法、表面削去法和增加工艺孔法等降低应力集中的方法。经详细分析提出了下梁中梁结构的优化设计方案。分析结果表明中梁新结构优于原结构：其顶出孔最大主应力由161.4MPa降到84.37MPa，应力集中系数由2.405降到1.33。 本文用电测法对预紧状态和承载状态下八万吨模锻压机的1：11.1模型压机关键横梁的应力、变形进行了测试。实验结果表明三横梁各部件的应力、位移与计算结果吻合较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2世界重型模锻压机设计制造技术的现状

1.2.1重型模锻压机在世界各地的分布

1.2.2世界各国典型的重型模锻液压机

1.3我国重型模锻液压机的现状及存在的主要问题

1.4我国八万吨巨型模锻液压机的建造背景及技术特色

1.4.1建造背景

1.4.2八万吨巨型模锻压机的技术特色

1.5液压机结构设计分析方法概述及横梁结构中需解决的主要问题

1.5.1液压机结构设计分析方法概述

1.5.2横梁结构设计计算中需解决的几个主要问题

1.6课题来源及本文的研究内容

1.6.1课题来源

1.6.2本文的研究内容

第二章弹性接触问题的有限元法及在MARC中的应用

2.1引言

2.2弹性接触问题的基本理论

2.2.1接触问题的描述及接触条件

2.2.2接触状态判定条件

2.2.3加载的不可逆性

2.3接触问题求解的一般过程

2.4接触问题求解的具体方法

2.4.1直接约束法

2.4.2接触问题的弱形式

2.4.3拉格朗日乘子法

2.4.4罚函数法

2.4.5接触问题的间隙单元法

2.5 Marc软件及其相关接触算法

2.5.1 Marc软件简介

2.5.2 Marc软件提供的接触算法

2.5.3接触算法的基本流程

2.6本章小结

第三章拉杆组预紧组合承载结构的数值模拟

3.1引言

3.2拉杆预紧的仿真方法及其原理

3.2.1 MPC法模拟预紧力的施加

3.2.2过盈法模拟预紧力的施加

3.2.3降温法模拟预紧力的施加

3.2.4初应力法模拟预紧力的施加

3.3拉杆预紧结构的仿真模型

3.3.1仿真模型设计

3.3.2模型的边界条件

3.4预紧状态下模型的仿真结果分析

3.4.1应用MPC法模拟仿真计算

3.4.2应用过盈法模拟仿真计算

3.4.3应用降温法模拟仿真计算

3.4.4应用初应力法模拟仿真计算

3.4.5预紧效果对比与分析

3.5工作状态下结构的仿真及优化步骤

3.5.1工作载荷下预紧模型的仿真计算

3.5.2拉杆组预紧力的优化步骤

3.6本章小结

第四章压机组合承载结构的整体性分析与结构优化

4.1引言

4.2活动横梁的整体性分析模型

4.2.1活动横梁的三维实体模型及结构特点

4.2.2活动横梁有限元模型的建立

4.2.3活动横梁的强度、变形及整体性分析

4.3中梁的优化

4.3.1中梁开缝成因及结构优化方案

4.3.2优化结果

4.4本章小结

第五章压机横梁承载体应力分布的均匀性分析与优化

5.1引言

5.2应力分布的均匀性与应力集中

5.2.1应力集中的根源

5.2.2应力集中系数与基准应力

5.2.3降低应力集中的方法

5.3固定下梁的分析模型

5.3.1下梁三维实体模型

5.3.2固定下梁有限元模型

5.4固定下梁计算结果及应力分析

5.5如何解决下梁中梁的应力集中问题

5.5.1下梁中梁的应力集中及其降低方法

5.5.2应力集中程度降低的效果

5.6本章小结

第六章模型实验研究

6.1模型实验的必要性

6.2模型压机及模型载荷工况

6.2.1实验用模型压机

6.2.2各种载荷工况

6.3实验内容

6.4实验方案

6.4.1固定下梁测试方案

6.4.2活动横梁测试方案

6.5测试结果

6.5.1固定下梁预紧接触应力测试结果

6.5.2承载时固定下梁两片中梁的接触应力测试

6.5.3活动横梁预紧接触应力测试结果

6.5.4承载时活动横梁两片中梁及中梁与侧梁的接触应力测试

6.6实验结论

6.7本章小结

第七章结论

参考文献

致 谢

攻读学位期间的主要研究成果