考虑制造误差的巨型成形装备并行承载结构组配规律研究

摘要：由多片叠板组配而成的并行结构是巨型成形装备的主要承载部件，该结构内部的力流传递与刚度匹配对巨型成形装备的稳定运行起着决定性作用。运用现代设计方法所得到的承载结构整体上都能满足刚度和强度的要求，但由加工制造等因素而造成的结构局部变异与载荷高度聚集将严重影响整机运行的性能。以800MN 巨型模锻水压机为研究对象，运用商用MARC 软件，建立了并行承载C 形板组结构的三维有限元模型，分析了由于制造误差而形成的承载部件典型组配方式，研究了不同组配方式和不同承载板数量下关键部件的应力畸变规律，提出了保证力流均匀传递的并行承载结构组配规律，为巨型成形装备的稳定运行奠定了理论基础。
关键词：制造误差 应力畸变 组配规律 并行承载结构

前言

巨型成形装备的设计与制造能力是衡量一个国家基础制造能力的重要标识，是国防工业和国家安全的重要保障[1~2]。巨型承载部件由于现有的工艺手段无法实现整体制造而往往制造成多层叠板并行承载结构，其应力分布、载荷传递与刚度匹配是直接影响装备寿命、功能和运行精度的关键因素[3~4]。

在对巨型成形装备进行力流分析时一般不考虑加工制造误差的影响，但对于超高/长的多支并行组合结构，由于结构尺寸巨大，机械加工制造的误差积累，将导致子结构间承载界面的接触状态发生变异，致使载荷的传递向某个方向或区域发生高度聚集，造成结构根本性的破坏[5]，因此，考虑加工和装配误差的力流传递规律与畸变控制方法的研究成为大型组合承载结构设计必须解决的问题。

以800MN 巨型模锻水压机为研究对象，分析受制造误差影响下并行承载结构的组配形式，运用MARC 软件建立了承载结构的三维有限元模型，研究了不同组配形式下的应力畸变规律，提出了保证成形装备可靠运行的并行承载结构组配规律。

1. 并行承载结构力流传递路线

1-工件 2-上模 3-活动横梁 4-工作缸 5-上板梁
6-C 形板 7-下模 8-固定下梁
图1 巨型模锻液压机结构示意图

图1 为800MN 巨型模锻液压机的结构示意图。液压机工作时的力流传递路线为：

1）通过锻件向上的力流传递：锻件→上模→活动横梁→工作缸→上板梁→C 形板；
2）通过锻件向下的力流传递：锻件→下模→固定下梁→C 形板。

最终,模压力在由C 形板组成的机架内形成了封闭的力流传递系统。

可见，C 形板是构成封闭力流传递系统的载体，也是最为关键的承载部件。

C 形板又是一类超高/长的结构，其纵向高度达到了36.2 米，而最小宽度仅为1.75 米。综合考虑零件的可加工性及刚度匹配的要求，C 形板往往制造成多片叠加的形式；相应的，C 形板的承载方式也由单片承载变成了多片并行承载（如图2）。

图2 并行承载C 形板组

同时，由上板梁、垫板、C 形板、垫铁、十字键、大拉杆、夹紧梁构成了巨型模锻液压机的典型并行承载结构并形成了如图3 所示的由上板梁→垫板→C 形板→十字键→大拉杆→夹紧梁→C 形板的串行力流传递路线，锻压方向（垂直）为主力流方向。

1-上板梁 2-垫板 3-C 形板 4-垫铁 5-下十字键
6-上十字键 7-大拉杆 8-夹紧梁
图3 并行承载结构示意图

2. 制造误差影响下并行承载结构的组配形式

800MN 巨型模锻压机的并行承载C 形板组由5 片C 形板叠合而成。在加工过程中，由于技术条件的限制，经各个环节的全力配合，C 形板间关键部位的制造误差只能控制在0.25mm以内。由图3 可知，与C 形板组相配合的部件为十字键和夹紧梁。根据制造误差位置的不同，可能形成并行承载结构的以下组配方式：

a) C 形板组的一片或者多片与夹紧梁或（和）十字键之间存在左偏差；
b) C 形板组的一片或者多片与夹紧梁或（和）十字键之间存在右偏差；
c) C 形板组的一片或者多片与夹紧梁或（和）十字键之间存在上偏差；
d) C 形板组的一片或者多片与夹紧梁或（和）十字键之间存在下偏差。

图4-a)和图4-b)显示了C形板往十字键端上偏0.25mm和C形板在十字键端往左偏0.25mm时并行承载结构的组配形式。

分析不同组配方式下并行承载结构，特别是承载结构连接部位的应力突变情况，是分析巨型成形装备力流畸变规律的重要手段，是研究并行承载结构组配方式的基础。

3. 并行承载结构的有限元模型

并行承载结构受制造误差的影响对整机结构所表现出来的只是一种局部应力集中的效果。圣维南局部影响原理表明[6]：“物体的任一部分作用一个平衡力系，则此平衡力系在物体内产生的应力分布，仅局限于该力系作用的局部区域，在离该区域比较远处，这种影响便急剧减少”，因此，并行承载结构的相对装配误差只会影响承载结构连接部位的很小区域，其对装备整体结构所造成的影响可以忽略不计。基于以上理由，对分析模型作如下设定：

1）距并行承载结构（C 形板）较远零件的结构细节，如卸荷槽、倒角、圆角等不予考虑；
2）并行承载结构的关键部件，包括C 形板、十字键、斜键、夹紧梁等结构的所有细节予以考虑；且为了提高连接部位的计算精度，在接触区域，对网格进行细化处理；
3）模型为对称结构，取1/2 模型进行分析。

基于中心载荷分析方案，将压机的各部件定义成为接触体；采用粘滑摩擦类型，摩擦系数0.1[7]。

采用8 节点六面体单元进行分析，所建立的有限元模型如图5 所示。其中，图5-a)为并行承载结构整体有限元模型，图5-b)为并行承载结构连接部位的有限元模型。

a) 并行承载结构整体有限元模型

b)连接部件有限元模型
图5 并行承载结构有限元模型

边界条件定义如下：

1) 固定底座底面；
2) 在模型对称面施加对称边界条件；
3) 在所有工作缸上施加反作用力160MN；
4) 各拉杆处施加相应预紧力：

大拉杆—110MN；C 型板拉杆—2MN；侧机架与夹紧梁拉杆—15MN；固定下梁侧梁拉杆—38MN；活动横梁侧梁拉杆—28MN。

分析时所用材料参数如表1 所示[8]。

为了分析并行承载结构的力流畸变规律以确定其组配顺序，保证巨型模锻压机的稳定运行，需要进行以下两类分析：

1）制造误差处在不同位置时并行承载结构的应力突变规律；
2）不同C 形板承载数量时的并行承载结构的应力突变规律。
为此，拟定两类分析工况：

工况1：C 形板与夹紧梁、十字键上下左右各端分别存在0.25mm 装配误差时并行承载结构的应力突变情况，其目的是确定产生最大应力突变的位置及方向；

工况2：分析最大应力突变误差方向上不同承载C 形板数量时的应力突变情况，其目的是确定C 形承载板组的组配顺序。

4. 分析结果

为研究制造误差对结构应力突变的影响，需要分析由制造误差造成的并行承载C 形板组不同组配方式下的应力分布情况。图6-a）为不考虑制造误差时C 形板组的应力分布情况，图6-b)为1、3、5 号C 形板在十字键端往上偏0.25mm（两片C 形板承载）时C 形板组的应力分布情况。

a) 没有制造误差

b) 1、3、5 号C 形板在十字键端往上偏0.25mm
图6 考虑制造误差时C 形板的应力分布

可以看出：

1）不同组配形式下，应力集中的区域没有发生变化，都在C 形板上段的过渡圆弧处；
2）受承载数量减少的影响，两片承载板处的应力集中现象变得更为严重，最大应力值由183.97MPa 增加到了221.92MPa，增加了20.62%；
3）其他部位的应力变化不明显。如十字键下部过渡圆弧处的最大压应力值仅由-89.83Mpa变化到了-88.79MPa，仅减小了1.12%。

为研究不同组配方式下的应力突变规律，分别分析了1~5 片C 形板承载时各关键部件的应力变化情况。表1 显示了两片C 形板承载时，不同组配方式下最大主应力的变化情况。从表中可以看出：

1）在夹紧梁端，C 形板在左、右两向存在装配误差时，各部件应力基本没有变化；但当C 形板在上、下两向存在装配误差时，C 形板的最大应力产生了较大的变化；
2）在十字键端，当C 形板在左、右两端存在装配误差时，各关键部位的应力变化不明显；

而当C 形板在上、下两端存在装配误差时，C 形板的最大应力发生了较大的变化，应力最大增加了20.62%。

分析其他数量（1 片、3 片、4 片）C 形板承载时得到的应力变化规律与两片C 形板承载时的应力变化规律相同。

由于模锻液压机垂直锻压方向为主要的力流传递方向，左右方向为非主力流方向，因此当C 形板组存在上、下方向的制造误差时，对结构应力畸变的影响程度较大。

由此可知，要减小应力畸变程度，必须防止在主力流方向存在较大的制造误差。

为了研究不同C 形板承载数量时的并行承载结构的应力突变规律，分析了1~5 片C 形板承载时，C 形板的最大应力变化情况。图7 显示了这样一种变化情况。可以看出：

1）随着承载数量的增加，C 形板最大应力减小；反过来说，随着C 形板承载数量的减少，C 形板的应力畸变程度急剧增大；

图7 C 形板最大应力与承载板数量的关系

2）C 形板最大应力与承载数量近似成线性关系，每减小一片承载数量，最大应力增加约18MPa。

综合以上分析结果，得到并行承载结构的组配规律如下：

1）在主力流方向应该尽量避免制造误差；
2）合理分布有制造误差的承载板，使得有更多数量的C 形板同时承载。

5. 结论

通过分析由上板梁、C 形板、十字键、大拉杆、夹紧梁等关键部件构成的巨型模锻液压机并行承载结构的结构特征，研究由于制造误差而形成的C 形板组不同的组配方式和承载数量下关键部件的应力突变情况，得到了并行承载结构的组配规律，克服了由于制造误差而导致载荷传递的局部聚集，为提高力流传递的均匀性提供了依据。

对于巨型承载结构，为解决结构的可制造性和满足装备功能的矛盾，需要基于组合结构变形协调的刚度设计为准则[8]，关键承载部件一般设计成多片并行承载形式，对该形式的机械结构进行组配时，需要保证主力流方向有较大的承载面积和较均匀的承载结构，以保证巨大载荷在承载组合体间的均匀流动。

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作者简介：
李毅波，男，1981 年生，中南大学机电工程学院博士研究生，主要从事塑性加工装备与工艺的研究;黄明辉，男，1963 年生，“长江学者”特聘教授，博士生导师；吴道辉，1982 年生，中南大学机电工程学院硕士研究生。