本文基于Pro/ENGINEER和CAE软件，在总结大型液压机设计经验基础上，通过实例分析，总结了从实体造型到有限元分析（FEA）的基本步骤；研究了接触问题在整机框架模型中的处理方法，引入接触单元对整机模型进行有限元分析；对计算结果做了评价，提出了结构改进的合理化建议，并对分析结果进行了初步验证。
　　一、引言
　　锻压设备是一种重要的生产工具，广泛应用于国民经济各个领域。液压机作为锻压机械的一种，具有功率大、精度高、规格齐全的特点。然而，就我国生产行业的现状而言，液压机主机结构设计采用的仍然是传统材料力学简化计算与经验设计相结合的方法。虽然这种设计方法经过实践证明具有一定的可靠性，但存在诸多弊端：首先，采用这种方法设计周期长，按照材料力学原理和简化经验公式进行手工计算，再根据计算结果人工布置筋板结构，会耗费大量时间，设计准确性不易保证；其次，结构组件冗余，用材质量大，传统设计在材料使用上偏于保守，比国外同种规格产品重量大，致使成本高、效益低往，削弱了产品的竞争力。。以天津市某厂为例，根据以往资料，该厂一台新型的液压机的设计周期约为2～3个月，液压机重量比国外同规格的产品约重40%～50%。
　　当今，先进的CAD软件可实现三维实体设计，捕捉设计意图，快速得到产品几何模型。液压机产品机械性能上的基本要求有两个，即强度和刚度。传统方法是一种用设计规则保证性能要求的方法，缺乏对设计结果合理性的验证。CAE技术提供了强大的分析功能，对模型进行有限元分析，即可得到任意结点的应力、应变情况，从而为优化结构布局，提供了可靠依据。
　　在液压机产品设计中，非标准专用产品所占的比重越来越大。如天津某厂向市场提供26个系列共计400余个品种，其中标准产品200余种，非标专用产品200余种。为了快速响应用户需求，迫切需要在设计中大量采用CAD/CAE技术。
　　二、CAD、CAE用于液压机设计的实现方案
　　考虑到CAD/CAE技术在企业中的应用尚不普及，针对具体产品的设计系统，开发者往往缺乏实际经验，因此，可采用分阶段实施、逐步深入的方法。例如，可先进行计算机辅助造型设计，应用有限元软件进行CAE分析，校核机身强度、刚度；若发现不足，便进行改进设计。这样，就可通过获取的设计经验，针对液压机的设计特点对相应的软件进行二次开发，得到用于液压机的设计与分析集成的系统，从而加快设计步伐。
　　1．液压机设计与分析的基本步骤
　　（1）基本过程
　　液压机的设计与分析分两步进行。首先用Pro/ENGINEER做造型设计，然后利用其提供的数据接口把模型传递到ANSYS环境进行有限元计算，从而得到机床的机械性能。Pro/ENGINEER具有强大的造型功能，用它作造型设计可以迅速得到实体模型，并可方便地进行修改；而ANSYS则提供了有限元计算的优异分析功能，用它可以保证计算的精度。由于两种软件基于不同的内核，在模型传递中要注意一些原则，否则会出现模型无法传递或数据丢失现象。主要应注意以下两点：第一，在Pro/ENGINEER造型过程中，零件体不得含有分离部分，即所有零件必须是连结在一体的整体；第二，造型中的切除特征，如孔、槽等，必须指明在切除特征所属的母体，否则容易造成传递失败。
　　对框架结构采取从局部到整体的造型方法。液压机是由若干大型焊接件组合而成的。各子框架又由许多型材零件（多数是标准型材）组成，零件截面形状沿轴线方向保持一致，零件间一般通过焊接装配起来。例如，天津某厂的组合框架式液压机，其整机结构一般是由上横梁、工作台、立柱、下横梁、滑块等子框架按比较单一的接口方式组合在一起。用CAD软件造型，可以从标准结构件开始组合而成子框架结构体，将相关结构体拼合即可得到整体框架模型。
　　（2）整体框架中接触问题的处理
　　结构件以焊接方式联结构成子框架模型。在进行有限元分析时，各结构件可按相互粘结的一个整体处理。整机框架是由子框架组合而成的，各子框架的接口部位是面与面的接触。这是一个接触边界的非线性问题，必须考虑变形协调关系。
　　假设接触单元由i，j两点构成，接触面为垂直于i-j连线的平面。节点i，j可以接触（接触刚度可以指定），此时接触单元与一般线性单元相似；而当两节点分离时，两节点间无刚度，此时两节点分别属于不同结构。接触单元的载荷-位移关系可由接触面的法向分量和切向分量来描述，参见图1。
　　在法线方向，若两接触面保持接触，则法向力Fn为负值，接触单元犹如一个线性弹簧；若接触被破坏而使两节点分离，则Fn为零。一般来说Fn是变量，其大小由接触点间的位移和初始间隙决定。设Un为法向位移，GAP为初始间隙（正值）。令L=(Un)j－(Un)i+GAP　　，则L决定Fn的大小。
　　切线方向，即平面的滑移方向。当Fn<0且切向力Fs≤μ| Fn | 
(μ为接触面间摩擦系数)时，接触面保持接触且无滑动，此时单元切线方向也犹如一个线性弹簧，其刚度取法向刚度K值；当Fn<0且Fs>μ| 
Fn | 时，则在接触面间将产生滑动。
　　综上所述，接触单元在载荷作用下共有三种状态，即分离状态、接触无滑移状态、接触有滑移状态。对应三种状态有三种不同的单元刚度矩阵。事实上液压机的各结构件靠拉杆提供的预紧力紧密接触，不可能处于分离状态。采用ANSYS的接触单元处理接触部位的变形协调问题是有效的。
　　2．THP71S-4000型液压机设计分析实例
　　THP71S-4000型组合框架式液压机是4000t大型液压设备。设计初期采用经验设计和材料力学简化算法相结合的方式，得到设计参数的初始值，然后用Pro/ENGINEER进行辅助实体造型。把机身结构分为工作台、立柱、上横梁及滑块等四部分别建立模型。选取其中分模型按装配关系组合起来即可得到主机框架模型；然后通过Pro/ENGINEER提供的数据接口，把各个模型传递到ANSYS环境，进行有限元分析。
　　在计算中各部分采用了不同的加载方式。例如，对立柱施加的载荷是当液压机处于未加载状态，即机身受拉杆预紧力（1.3~1.5倍工作载荷）时的情况，因为此时立柱处于最危险工况；而工作台则计算了未加载状态、加载状态和偏载状态（载荷中心偏移5%）等多种情况，以验证不同工况下强度的可靠性。对整机进行有限元分析时，引入了ANSYS中的接触单元来处理结构件的接触部位。根据经验数据，输入了摩擦系数、接触刚度等参数，计算了无工作载荷和额定工作载荷两种工况下的应力、应变情况。
　　各分模型的有限元计算主要用于校核结构件的强度，而不必做整体刚度的估算。这是因为单个模型的载荷及约束条件是实际情况的简化，接触面没有考虑变形协调关系。对整机的计算结果则能够较好的反映整体变形情况，从而得到整机刚度。图2是工作台模型的应力和变形图。从中可以看出，其应力水平低于材料的屈服极限。图3是整机变形云图。从中可以看出，在额定载荷下的变形量为0.621mm，小于许用变形量（一般取台面尺寸的1/50000，此处0.74mm），其刚度达到了设计要求。其主要计算结果如表1所示。
　　表1 液压机各结构件有限元分析结果
　　上述分析结果基本符合设计要求，与经验设计预期的结果能较好地吻合。但也可以发现设计上的一些不合理的地方，如有些部位应力水平颇高。尽管其中有未考虑焊缝而引起的应力集中的因素存在，但即使去除该因素，应力分布的不均性也不可避免地导致各部分疲劳寿命的差异以及材料使用不合理。为此，应考虑调整筋板的布置方式，在应力水平过高处适当增加加强筋板。
　　3．结构局部优化
　　由于原设计方案具有以上不足，有必要对结构作改进。以工作台为例，在底面拉杆孔局部增加加强筋板，把台面以下辅助筋板适当减薄，并调整布局方式。进一步的有限元分析表明，最大应力从原来的207MPa下降到186MPa，参见图4，表明改进是合理的。
　　
　　图4 工作台优化后应力云图
　　
　　三、结论
　　1．将CAD、CAE等先进设计手段应用于液压机等大型机床结构件，可以缩短设计周期、保证设计质量、提高整体设计水平；
　　2．CAE技术可以在设计之初发现设计中存在的问题；基于有限元的优化分析能够为设计提供改进的方向。
　　结构件
　　单元数
　　平均应力
　　（MPa）
　　最大应力(MPa)
　　最大变形(mm)
　　
　　不加工作载荷
　　施加工作载荷
　　上横梁
　　38480
　　80～100
　　197.1
　　1.046
　　0.769
　　立柱
　　7456
　　70～80
　　186.2
　　2.559
　　0.851
　　滑块
　　45639
　　40~60
　　113.4
　　－
　　0.677
　　工作台
　　对称载荷
　　40949
　　50~60
　　207.2
　　0.86
　　1.28
　　
　　偏载5%
　　47265
　　60~70
　　218.2
　　0.91
　　1.32
　　整机
　　93276
　　－
　　－
　　2.851
　　3.472