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        六面頂頂錘與預緊環的強度有限元分析

        發布于:2021-09-12 20:41
        有限元分析
         

               我國于1965年研制成功鉸鏈式六面頂液壓機(簡稱六面頂),該機主要用于合成人造金剛石、立方氮化硼等超硬材料。目前,全行業的裝機總數約5300臺。隨著對產品產量、質量要求的不斷提高,合成腔體不斷擴大,合成噸位持續腌升,由初期的6x6MN,到20世紀80年代的6x8MN,再到上世紀90年代的6xZlMN,到目前已達6x39MN。為此,頂錘尺寸也在不斷增加。
               六面頂的工作原理如圖1所示。在工作狀態下,頂錘承受著6GPa-8GPa的超高壓,表面溫度高達數破壞。由于預緊環結構的復雜性,無法建立預緊力的解析公式,長期以來,在預緊環結構設計、材料處理、過盈量確定、裝配等環節上,缺少必要的研究,基頂錘的縱向斷裂本是依據經驗。對預緊環進行深入研究,對于降低頂錘應力,提高使用壽命,順應大型化的進程具有重要意義。頂錘的破壞表現為脆性斷裂,主要形式為縱向斷裂(圖2)。早期的光、電測應力分析,以及本文作者近期完成的三維有限元分析表明,產生縱向斷裂的主要原因頂錘、預緊環的結構與材料頂錘(圖3a)圓柱面D上加工有四個460大斜面和四個41。小斜面。工作狀態下,在邊長為a的正方形頂面上作用著合成壓力。在小斜面處葉臘石受擠壓產生飛邊,錐角是為了方便頂錘與預緊環壓配而設計的。選擇6x12MN級大規格通電頂錘及預緊環為分析對象,主要結構參數如表所示。
               在于460斜面中心對稱線下方存在著較大的切向拉應力。預緊環的作用是為頂錘提供足夠大的徑向預緊力,建立起有效的側向支承,增加頂錘的強度。實踐證明,無預緊環保護或預緊力較小時,頂錘極易產生圖3六面頂頂錘、預緊環結構簡圖。
               頂錘與預緊環之間的壓裝高度范圍一般為4mm-5mm,壓裝高度與過盈量之間的關系見表3。配合要求緊密,接觸面積不得低于80%。分析中,取壓裝高度smm,即單邊過盈量。
               利用有限元分析軟件ANSYS對頂錘和預緊環的過盈配合進行分析。根據結構及載荷等方面的對稱性,分析模型取對象的L/4。使用oshd92單元進行網格劃分,結果見圖4。假設頂錘底面沿縱向,非工作狀態下頂錘圓柱面上的預緊力可以看出,因過盈配合所產生的預緊力在頂錘表面上的分布是不均勻的。從底面到頂面,預緊力逐漸減小,最終在圓柱面與錐面相交的棱邊處減小到0。預緊力最大值為0.758GPa,在頂錘圓柱面底部MX標記處取得。沿圓周方向,同一高度上的預緊力也不相同。預緊力的平均值較小,只有0379GPa。產生預緊力非均勻分布的原因,主要在于頂錘與預緊環的形狀,由于圓柱上部材料被去除了一部老分,使得其預緊作用被嚴重削弱,因此,所產生的預緊力也隨之減小,同時還削減了自身的強度。與BELT裝置頂錘相比,六面頂頂錘的預緊力分布顯然不利于增強頂錘的強度。
               由于過盈配合,預緊環內產生的等效應力場如圖所示,其最大值為1.24GPa,出現在預緊環460,預緊環的等效應力分布圖斜面中心線的最上端。由圖中可以看出,等效應力最大值小于材料的屈服強度(132GPa),且區域較小,因此,非工作狀態下,壓裝后的預緊環不會發生塑性變形。軸)的位移為零,取頂錘的圓柱面為目標面、預緊環的內圓柱面為接觸面,分別附以接觸單元,進行常溫下的接觸問題分析。當兩個物體相互壓緊時,在接觸區附近產生的應力和應變,被稱為接觸應力和接觸應變。



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