100KN压力机双动横推夹具结构.docx

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100KN压力机双动横推夹具结构

100KN压力机双动横推夹具结构

有限元分析报告

山东大学机械工程学院CAD/CAM研究所

2008年7月

1概述

100KN压力机双动横推夹具结构如图1所示，包含夹具体、铜套、液压缸、活塞等构件。

本分析针对夹具体、铜套、液压缸三个主要受力构件进行有限元建模及分析。

图1夹具结构装配图

2有限元模型

2.1单元划分

建立了两个有限元模型，分别为夹具体和铜套以及液压缸。

夹具体和铜套有限元单元划分如图2所示，考虑对称性取1/2建模，采用SOILD187十节点四面体单元进行几何体划分，采用TARGET170和CONTACT174单元组成铜套与夹具体之间的接触对，其中铜套接触面定义为CONTACT174，如图3所示。

液压缸单元划分如图4所示，考虑对称性取1/2建模，采用SOILD187十节点四面体单元进行几何体划分。

2.2材料特性

夹具体和液压缸采用40Cr，弹性模量取2.1e5N/mm2，泊松比取0.3，屈服应力取785MPa。

铜套采用加工铜，弹性模量取1.1e5N/mm2，泊松比取0.33，屈服应力取380MPa。

2.3载荷施加

实验载荷为110KN，作用在夹具体的中垂线上，由油缸提供的夹持力为255KN，对应油压为30Mpa。

其中实验载荷作用在铜套两端的上下内表面，其合力大小按图5计算，图中，F为实验载荷的一半55KN，F1为作用在铜套内侧下表面上的合力，F2为作用在铜套外侧上表面上的合力。

l1、l2分别为夹具体中线至铜套内外表面的距离。

将F1、F2按压力施加在铜套的内表面上，如图6所示。

其中，红色区域对应F1所施加的压力，大小为p1=107.477MPa,蓝色区域对应F2所施加的压力，大小为p2=44.977MPa。

p1、p2由下式得到。

图2夹具体和铜套模型

图3铜套接触面

图4液压缸模型

图5载荷分析图

图6工作压力图

式中，R为铜套内径，B为载荷沿轴向作用范围，取22mm，

为载荷沿周向作用范围所对应的圆心角之半。

255KN夹持力作用在夹具体侧面的12个螺栓孔的内表面上，如图7中红色区域所示。

液压缸载荷仅为30MPa油压，如图8红色区域所示。

2.4边界约束条件

夹具体-铜套模型约束条件如9所示，其中，黄色符号为约束符号，约束上表面4个螺栓孔的内表面的各个移动自由度，并施加对称面约束。

液压缸模型约束如图10所示，其中，黄色符号为约束符号，约束止口的圆柱面的各个移动自由度，并施加对称面约束。

图7夹持力施加部位图

图8液压缸模型受力图

图9夹具体-铜套边界条件图

图10液压缸边界条件图

3计算结果及分析

3.1夹具体-铜套位移分析

图11所示变形前后对照图，黑色虚线为变形前位置，蓝色实线为变形后位置，最大位移为0.222951mm，如图左上角DMX所示。

图12为综合位移等值线图，图中颜色对应不同位移水平，各颜色对应数值如色标比例尺所示，其中红色区域对应位移数值最大，对应区域为0.19-0.22mm，发生在铜套下端对应夹具体部位。

图13为Y方向位移等值线图，图中颜色对应不同位移水平，各颜色对应数值如色标比例尺所示，其中蓝色区域对应-Y向位移数值最大，对应区域为-0.15--0.13mm，也发生在铜套下端对应夹具体部位，对照图12说明该处位移以-Y向为主。

图14为X方向位移等值线图，图中颜色对应不同位移水平，各颜色对应数值如色标比例尺所示，其中蓝色区域对应-X向位移数值最大，对应区域为-0.19--0.16mm，发生在夹具体开口端下侧部位，对照图12说明该处位移以-X向为主。

由以上结果可见，该夹具体位移数值很小，满足使用要求。

图11夹具体-铜套位移图

图12综合位移等值线图

图13Y方向位移等值线图

图14X方向位移等值线图

3.2夹具体-铜套应力分析

图15是夹具体-铜套等效应力分布图，其中各颜色对应不同的应力水平，大小如色标比例尺所示，最大应力为646.567MPa，如图左上侧SMX所示，最大应力部位如图中MX所示。

最大应力小于材料的屈服应力785MPa，满足设计要求。

图16是图15的最大应力部位的局部放大图。

图17是夹具体背面的等效应力分布图。

图18是铜套等效应力分布图，其中各颜色对应不同的应力水平，大小如色标比例尺所示，最大应力为194.508MPa，如图左上侧SMX所示，最大应力部位如图中MX所示。

最大应力小于材料的屈服应力380MPa，满足设计要求。

图19、图20分别为夹具体-铜套等效应力剖面图和变形剖面图，由图可见夹具体和铜套在接触位置没有出现干涉现象，说明接触建模及参数设置正确合理。

图21为接触面上的接触压力分布图

图15夹具体-铜套等效应力图

图16夹具体-铜套等效应力放大图

图17夹具体等效应力图

图18铜套等效应力图

图19夹具体-铜套等效应力剖面图

图20夹具体-铜套剖面变形图

图21接触压力分布图

3.3液压缸位移分析

图22、图23所示变形前后对照图，黑色虚线为变形前位置，蓝色实线为变形后位置，最大位移为0.044243mm，如图左上角DMX所示。

由以上结果可见，该液压缸位移数值很小，满足使用要求。

图22液压缸位移图

图23液压缸变形图

3.2液压缸应力分析

图24-27是液压缸等效应力分布图，其中各颜色对应不同的应力水平，大小如色标比例尺所示，最大应力为166.18MPa，如图左上侧SMX所示，最大应力部位如图中MX所示。

最大应力远小于材料的屈服应力785MPa，满足设计要求。

图24液压缸等效应力图

图25液压缸等效应力图

图26液压缸等效应力图

图27液压缸等效应力图

4分析结论

1）夹具体-铜套和液压缸的变形值均较小，满足使用要求。

以夹具体-铜套变形为例，液压缸固定面下端最大水平位移为0.2mm（如图14所示），所对应的固定面倾角为0.08度，该角度也是活塞轴线的变形倾角。

完全不影响使用。

2）夹具体、铜套、液压缸的最大等效应力均小于材料屈服应力，满足设计要求，其中液压缸的最大等效应力远小于其材料屈服应力，可选用强度较低的其他材料，以降低成本。

夹具体和铜套的最大等效应力已接近材料屈服应力，有可能的话选用强度更高的材料。

3）要保证活塞与铜套配合面的加工精度，增大受力面积，改善受力性能。