Conception structurelle et analyse par éléments finis du cylindre de travail d'une grande presse hydraulique à forger

1. Introduction

Le cylindre de travail est un actionneur important de la machine hydraulique.Il convertit l'énergie de pression du liquide en énergie mécanique.Il est divisé en type de piston, type de piston, type d'oscillation et type télescopique selon le type de structure.Le cylindre de travail de la forge 200MN presse hydraulique adopte un type de plongeur, qui a une structure simple et est facile à fabriquer.C'est une forme structurelle couramment utilisée dans les grandes machines hydrauliques.Le traditionnel La théorie de la conception de la presse hydraulique est la base principale de la conception structurelle du cylindre de travail.

ABAQUS est habile à résoudre des problèmes complexes et a mis au point un logiciel d'analyse par éléments finis de renommée mondiale.Il est largement utilisé dans les machines, l'armée, la chimie, l'automobile et d'autres domaines industriels.Utilisation d'ABAQUS pour numériquement simuler le cylindre hydraulique, la répartition des contraintes du cylindre de travail peut être déterminée avec précision et la rationalité de sa conception structurelle peut être analysée.

2. Conception structurelle du cylindre de travail

Afin d'économiser de l'énergie, notamment pour réduire la consommation d'énergie, la presse hydraulique de forgeage 200MN utilise six cylindres de travail sur trois rangées.Les 6 cylindres de travail peuvent générer 200 MN de pression en même temps, et les 4 petits les cylindres de travail des deux côtés peuvent générer 80 MN de pression, et les 2 grands cylindres de travail du milieu peuvent générer 120 MN de pression.Les cylindres de travail avec différents mouvements peuvent générer 3 niveaux de pression, et différents des pièces forgées peuvent être produites pour sélectionner le niveau de pression correspondant, ce qui réduit considérablement les coûts.La structure du corps et la disposition du cylindre de travail sont illustrées dans l'image 1 et l'image 2.

Afin d'améliorer la durée de vie du cylindre de travail, la conception utilise directement le boulon pour fixer le bloc-cylindres sur la poutre supérieure, c'est-à-dire que le support inférieur est utilisé.Cela améliore non seulement la rigidité et la résistance de la poutre supérieure, mais réduit également la contrainte de paroi du cylindre du cylindre de travail.

La connexion à charnière à bille unique convient au curseur et aux quatre petits pistons cylindriques sur le côté, et la connexion à charnière à double bille est la meilleure méthode de connexion pour le curseur et les deux pistons du maître-cylindre du milieu, comme le montre l'image 3a, b .

Lorsque la pression de travail du cylindre de travail est supérieure à 20 MPa, le forgeage de l'acier au carbone est le principal mode de production du cylindre de travail.Le cylindre de travail de la presse hydraulique de forgeage 200MN fonctionne sous la haute pression de 31.5MPa, et la structure est grande, il est difficile de forger intégralement.Par conséquent, il est forgé par soudage d'acier 35, et il est normalisé et trempé, et sa limite d'élasticité est de 240MPa.

Le piston va et vient dans le cylindre et a une grande influence sur l'usure du manchon de guidage et du joint, de sorte que la surface du piston doit avoir une dureté suffisante et une bonne finition de surface.Afin de répondre à cette exigence, le piston est généralement réalisé en acier forgé au carbone à haute teneur en carbone et soumis à un traitement de renforcement de surface après usinage.Le piston de la machine hydraulique est forgé à partir d'acier 45.

La pression de travail nominale du cylindre de travail intermédiaire est de 120MN, et le calcul de conception de ses paramètres structurels est le suivant :

En fonction de la pression totale nominale F(N) que le vérin hydraulique doit produire et de la pression de service liquide sélectionnée P (MPa), le diamètre du piston D est déterminé par la formule suivante :

À partir de la formule (1), D = 1557,7 mm est calculé, et après arrondi, D = 1560 mm est pris, et le diamètre intérieur D1 du vérin hydraulique est relié au piston.

Il est lié à l'écart Δt de la paroi interne du cylindre, et il est préférable de prendre 15mm selon l'expérience Δt.

Selon la formule (2) ci-dessus, le diamètre intérieur D1 du vérin hydraulique est déterminé comme étant de 1590 mm.Selon la formule empirique, le diamètre extérieur du vérin hydraulique D2 est :

[σ] prenez 120MPa, selon la formule (2) ci-dessus, trouvez que le diamètre extérieur D2 du vérin hydraulique est de 2153 mm, et selon la formule :

r1———Rayon intérieur du cylindre (mm)

r2———Rayon extérieur du vérin hydraulique (mm)

Calculé par l'équation (4), r2≥1076,5 mm, prendre D2=2*r2 = 2250 mm.

Épaisseur du fond du cylindre : t=(1,5~2)*(r2-r1) (5)

La pression nominale des quatre cylindres de travail latéraux est de 80 MPa.De même, les paramètres structurels du cylindre de travail latéral peuvent être préalablement obtenus comme suit :

Diamètre du piston D=900mm, Δt=10mm, diamètre intérieur du cylindre hydraulique D1=920mm, diamètre extérieur D2=1360mm, épaisseur du fond du cylindre t=300mm.

3. Simulation numérique et analyse des résultats du cylindre de travail

A l'heure actuelle, la plupart des vérins hydrauliques utilisent l'algorithme empirique de la mécanique élastique.Selon les paramètres de conception de base, les paramètres de conception de base sont déterminés en référence aux données pertinentes, puis la résistance le contrôle est effectué selon le modèle mécanique simplifié.Cependant, en raison de la structure complexe du vérin hydraulique, il est difficile d'établir des modèles mécaniques et mathématiques précis, en particulier dans la contrainte zone de concentration.En utilisant la méthode des éléments finis pour calculer le vérin hydraulique, la répartition des contraintes du vérin hydraulique peut être déterminée avec précision, puis la rationalité de la conception structurelle est analysée.Le principal les dimensions du cylindre de travail sont indiquées sur l'image 4.

3.1 Etablissement du modèle éléments finis

3.1.1 Modèle structurel et découpage unitaire

Afin de rendre le calcul du cylindre de travail plus proche des conditions de travail réelles, les six cylindres de travail sont assemblés avec la poutre supérieure en fonction des conditions réelles.Considérant que la déformation de la la poutre inférieure a peu d'effet sur le cylindre de travail, le modèle de colonne est intercepté à la moitié de la hauteur.

Le type de grille de cylindre de travail est sélectionné en tant qu'unité tétraédrique C3D4, et les détails du filet inférieur du cylindre, de l'entrée d'huile et du trou fileté sont maillés et subdivisés.Les quatre cylindres latéraux sont divisés en 940 000 unités, et le milieu 2 Les maîtres-cylindres sont divisés en 1,2 millions d'unités.

3.1.2 Conditions aux limites

(1) Une pression uniforme de 31,5 MPa est appliquée à la surface de la paroi interne du cylindre de travail et la pression du liquide est répartie sous la paroi interne du cylindre de travail.

(2) Le coefficient de frottement μ est défini sur 0,1 et le type de contact est sélectionné en tant que contact surface-surface standard.

(3) Définissez les propriétés matérielles du cylindre de travail : le coefficient de Poisson λ est de 0,3 et le module d'élasticité E est de 206 000 MPa.

(4) Le levier du bloc de poutre supérieur est pré-serré : φ200 mm (10 pièces), la force de pré-serrage unique est réglée sur 4 000 kN et le mode de pré-serrage adopte la charge du boulon.

(5) Pré-serrage de la tige de colonne : la force de pré-serrage doit être modérée et la force de pré-serrage détruira le tirant ;au contraire, la partie de contact de la poutre et de la colonne sera ouverte en raison de la pré-la force de serrage étant trop faible.La précharge globale est prise comme 1,4 fois la pression nominale, 280MN est plus adaptée.Parmi eux, la précharge unique des 10 timons de φ400mm est réglée à 17500kN ;la précontrainte unique de 12 timons φ320mm est réglé sur 11200kN ;la méthode de préchargement utilise Bolt load.

(6) La condition aux limites de la section solide est appliquée à la section médiane du poteau.

Son modèle numérique est présenté dans l'image 5 :

3.2 Résultats de simulation et analyse

Après le calcul du modèle numérique du cylindre de travail, le nuage de contraintes équivalentes du cylindre de travail est observé et analysé.

3.2.1 Résultats de simulation et analyse du cylindre de travail principal intermédiaire

Le cylindre de travail principal est découpé pour observer la répartition des contraintes internes et externes du cylindre de travail.Le diagramme de nuage de contraintes équivalentes du cylindre de travail principal intermédiaire est illustré à l'image 6 :

L'analyse du nuage de répartition des contraintes équivalentes du cylindre de travail principal montre les résultats suivants :

(1) La valeur moyenne de la répartition des contraintes équivalentes près de l'orifice de remplissage intérieur du cylindre de travail est la plus élevée, entre 105 et 120 MPa.Le point le plus élevé de la contrainte équivalente est 119MP, et la position est sur le paroi intérieure du cylindre de travail près de la partie inférieure de l'orifice de remplissage de liquide.

(2) La valeur de contrainte équivalente de la paroi interne de la partie cylindrique à paroi épaisse du cylindre de travail est relativement élevée, et la distribution de contrainte équivalente est relativement uniforme entre 95 et 115 MPa.

(3) La valeur de contrainte équivalente au fond du cylindre de travail est relativement faible, comprise entre 68 et 85 MPa.

(4) La paroi extérieure de la partie cylindrique à paroi épaisse du cylindre de travail a la valeur de contrainte équivalente la plus faible et la valeur de contrainte équivalente maximale n'est que de 60 MP.

Les résultats numériques montrent que la contrainte équivalente maximale du cylindre de travail principal se produit près de l'orifice de remplissage de liquide de la paroi intérieure, la valeur est de 119 MP et le matériau du cylindre de travail 35 en acier a un rendement résistance de 240MPa après traitement thermique, et son facteur de sécurité est supérieur à 2. Il peut en outre être prouvé que la résistance du cylindre de travail principal répond aux exigences de conception.

3.2.2 Résultats de la simulation du vérin de travail latéral

L'image 7 montre le nuage de contraintes équivalentes du cylindre latéral.

L'analyse du nuage de répartition des contraintes équivalentes du cylindre de travail latéral est effectuée et les résultats suivants sont obtenus :

(1) La contrainte équivalente maximale est générée près de l'orifice de remplissage de liquide et sa valeur de contrainte équivalente est de 129,5 MPa.

(2) La répartition des contraintes équivalentes de la partie cylindrique à paroi épaisse de la paroi interne du cylindre est relativement uniforme, et la valeur de contrainte équivalente est plus élevée, et la valeur de contrainte équivalente est de 85 ~ 110MPa.

(3) La paroi interne du cylindre de travail latéral et la surface externe du cylindre ont une répartition uniforme des contraintes, et la contrainte équivalente est faible, et la valeur de contrainte équivalente est généralement inférieure à 75 MPa.

Le matériau du cylindre de travail latéral est en acier 35.Après traitement thermique, la limite d'élasticité est de 240 MPa.Les résultats des calculs numériques montrent que la contrainte équivalente maximale du cylindre de travail latéral est de 130 MPa, et la sécurité Le facteur est calculé à 1,85.Par conséquent, la résistance du cylindre de travail latéral répond aux exigences de conception.

4. Conclusion

Dans cet article, la théorie de conception traditionnelle de la presse hydraulique est utilisée pour calculer le cylindre de travail de la presse hydraulique de forgeage 200 MN par calcul de formule.Ensuite, le logiciel d'analyse par éléments finis ABAQUS est utilisé pour modéliser assemblage de cylindre de travail en trois dimensions, et il est utilisé pour le calcul de simulation par éléments finis statiques.Grâce à l'analyse de la contrainte équivalente des résultats de simulation du cylindre de travail, la résistance du travail Le cylindre répond aux exigences de conception, ce qui prouve en outre que le résultat du calcul de la formule traditionnelle est correct et réalisable dans les spécifications de conception du cylindre de travail du cylindre hydraulique.