数字样机在大型多向模锻压机设计中的应用

曾祥东 张 华 杜俊雷 陈 文 于 江 袁 雯

(中国第二重型机械集团公司，四川 610052)

数字样机在大型多向模锻压机设计中的应用

曾祥东 张 华 杜俊雷 陈 文 于 江 袁 雯

(中国第二重型机械集团公司，四川 610052)

针对在大型多向模锻压机设计中设备零部件繁多、压制工艺复杂，造成设计任务繁重的问题，提出在大型多向模锻压机设计中应用数字样机技术，采用参数化设计以及仿真分析计算，对众多的设计方案进行优化选择，提高设计效率和设计质量。通过应用运动仿真以及有限元分析计算，能够减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本。

大型多向模锻压机;数字样机;参数化设计;SolidWorks建模;运动仿真

数字样机技术是在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术糅合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能。随着计算机及软件技术的发展，数字样机技术逐步被运用到大型多向模锻压机的设计中来。在大型多向模锻压机的设计中，根据用户对多向模锻工艺的实际需求，建立大型多向模锻压机的数字化仿真模型，利用参数化设计和数字样机技术，分析计算大型多向模锻压机的整体性能。利用数字样机技术有效地缩短压机的设计时间，保证压机设计质量。

1 大型多向模锻压机数字样机参数化设计与仿真的总体流程

(1)根据典型模锻工艺要求以及用户产能的长远规划，确定大型多向模锻压机的基本技术规格，依据基本技术规格对压机的主要零部件以及整机进行参数化设计，并在三维软件中创建出数字样机三维实体模型。

(2)根据参数化样机的三维模型，在运动学仿真软件中，对大型多向模锻压机进行整机运动仿真，获得仿真实验数据。

(3)运用静力学仿真软件对大型多向模锻压机进行受力分析，并获得大型多向模锻压机整机模型及关键零部件的受力分析图，依据所得到的数据对大型多向模锻压机关键零部件进行优化设计。

大型多向模锻压机的数字样机参数化设计与仿真总体研究路线如图1所示。

2 大型多向模锻压机数字样机设计方法

2.1 大型多向模锻压机的整机参数化设计方法

鉴于大型多向模锻压机的上横梁、下横梁等均为大型箱形结构，用传统的手工计算及2D有限元计算方法得到的结果均与实测情况相差较大(尤其是在出砂孔区域和应力集中区域)，无法使结构更加合理及提供方向性思路。主工作缸缸底圆角及过渡区形状、斜度、圆弧等以往都是根据经验来进行设计和修改，没有从计算机分析及优化的角度进行设计。为了使大型多向模锻压机从设计阶段就能够在质量上得到最大的保证，并且满足用户对时间周期的要求，在大型多向模锻压机的设计中，对于关键件及其它重要件采用了参数优化设计方法。其流程如下：

图1 大型多向模锻压机数字样机总体研究路线示意图Figure 1 General research route illustration of numerical specimen machine for heavydutymultiway die forging press

(1)三维建模后，采用三维有限元方法对整机及部件装配进行分析。

(2)如果零件太复杂，则在此基础上，进行零件的分析计算。

(3)在三维有限元计算的基础上，确立优化目标。

(4)分析并建立模型结构参数，建立参数分析、优化模型。

(5)利用计算机软件先进的参数分析模块，分析模型结构参数;如果利用现有的结构参数不能够达到优化目标或相差很大，则必须对结构做大的修改，修改后重复步骤(1)～(5)。

(6)观察各参数之间的关系及其对各关键件的强度和挠度的影响趋势及强弱程度，筛选出主要的优化参数。

(7)根据已确定的优化目标及优化参数，给定优化限制条件，使用先进的优化程序及模块进行优化，并同步更新模型。

针对大型多向模锻压机关键件所采取的优化设计方法，充分利用计算机及设计、分析软件的强大功能，采用有针对性的编程和网格节点重置，进行整机及各零部件的虚拟装配、分析及优化，避免了样机和试验投入及经验设计所带来的反复校核过程。图2是用SolidWorks软件搭建的大型多向模锻压机的数字样机三维模型。

2.2 大型多向模锻压机运动仿真

大型多向模锻压机的运动速度和加速度不是很高，但由于大型多向模锻压机本身重量大，压制吨位大，并且有水平穿孔、垂直压制工艺的复杂性，应高度重视对于机架结构强度的影响，因此需要对大型多向模锻压机进行运动学仿真分析。采用虚拟样机技术构建了大型多向模锻压机动态仿真系统，利用该系统研究大型多向模锻压机关键部件运动轨迹的特点，优化大型多向模锻压机结构，分析活动横梁、水平穿孔以及移动工作台等的运动过程，并且在运动过程中检验部件间的干涉情况，主要获得活动横梁以及水平穿孔部分在运动的任一位置各铰接点处的速度、位移以及力的数据，并以曲线图显示。应用SolidWorks Motion运动仿真软件对模型进行详细的约束和驱动定义，模拟大型多向模锻压机的整个运动过程并对其运动过程中部件间的干涉情况进行检查，检验数字样机物理模型的合理性。图3为在Solid-Works Motion运动仿真软件中大型多向模锻压机数字样机水平穿孔工艺运动仿真图，图4所示是大型多向模锻压机的运动仿真结果曲线图。

图2 大型多向模锻压机数字样机三维模型图Figure 2 Three dimensionalmodel of numerical specimenmachine for heavy dutymultiway die forging press

2.3 大型多向模锻压机静力学仿真

根据大型多向模锻压机模型工艺需要，机械本体部分分为垂直、水平两部分，机械受力方面两部分相对独立，为简化计算，在静力学分析的时候两部分是分开来进行计算的。大型多向模锻压机数字样机主机架及水平机架静力学仿真模型见图5。首先对大型多向模锻压机进行模型简化，采用静力学仿真软件对简化后的模型进行分析计算。通过有限元分析计算得出模型的应力图，分离出关键零部件的计算数据，判断其受力是否满足大型多向模锻压机的设计要求，进而对大型多向模锻压机进行结构上的优化。

在静力学有限元分析计算中，将三维大型多向模锻压机模型通过接口模块导入MARC有限元分析软件中，赋予各结构件一定的材质特性，设定分析计算的边界条件。按照公称压力(垂直压力200MN，水平穿孔力50MN)对大型多向模锻压机施加载荷，通过MARC有限元分析软件的计算，可得出大型多向模锻压机各部分的应力应变和安全系数等分布情况。快速找出大型多向模锻压机的强度薄弱环节，为优化结构提供设计参数。大型多向模锻压机的关键零部件下横梁的主应力及等效受力如图6所示。

图3 大型多向模锻压机数字样机水平穿孔工艺运动仿真Figure 3 Motion simulation of horizontal perforation process for heavy dutymultiway die forging press numerical specimenmachine

图4 大型多向模锻压机数字样机运动仿真结果曲线Figure 4 Motion simulation result curve of numerical specimen machine for heavy dutymultiway die forging press

图5 大型多向模锻压机数字样机主机架及水平机架静力学仿真模型Figure 5 Statics simulation model ofmain frame and horizontal frame for heavy dutymultiway die forging press numerical specimentmachine

3 结语

本文重点介绍了大型多向模锻压机数字样机设计中的参数化设计以及仿真分析计算。通过大型多向模锻压机参数化设计，可以从众多的设计方案中找出尽可能完善或适宜的设计方案，提高设计效率和设计质量。应用运动仿真以及有限元静力学分析计算，为大型多向模锻压机的参数化优化设计提供强有力的支撑，不仅可以减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高大型多向模锻压机的设计质量与工作性能。这对于增强我国大型多向模锻压机设计及制造的数字化平台建设，提高装备制造业的竞争力具有现实意义。

［1］杨固川.大型模锻液压机机架结构分析研究［J］.锻压技术，2010，35(3)：109 －113.

［2］林道盛.锻压机械及其有限元计算.北京：北京工业大学出版社，1998.

［3］俞新陆.液压机的设计与应用［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［4］中国机械工程学会塑性工程学会.锻压手册：第3卷［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［5］纪爱敏.机械CAE分析原理及工程实践.北京：机械工业出版社，2009.

编辑 傅冬梅

Application of Numerical Specimen Machine to Design of Heavy Duty Multiway Die Forging Press

Zeng Xiangdong，Zhang Hua，Du Junlei，Chen W en，Yu Jiang，Yuan Wen

Regarding to problem of too many parts and complex press technique to raise heavy design task，the project of application of numerical specimenmachine to design of heavy duty multiway die forging press has been put forward.By adopting parameterized design and simulation analysis and calculation，various design projects have been optimized and selected to upgrade design efficiency and quality，furthermotion simulation and finite element analysis and calculation have been applied to decrease mass of machinery equipments and reduce material consumption and manufacturing cost.

heavy duty multiway die forging press;numerical specimen machine;parameterized design;Solid-Wordsmodeling;motion simulation

TG315.4+2

A

2013—06—29

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(2011ZX04016-081)

图6 关键件下横梁应力云图Figure 6 Stress cloud chart of end beam of critical component