螺旋压力机是锻压生产中最重要的设备之一，可以完成模锻、精压、切边、镦锻和校正等不同的锻压工艺，在汽车、航空航天、工程机械、国防等行业中广泛应用。其种类有摩擦式、液压式、电动式(交流伺服驱动、楔型、多击式)、离合器式螺旋压力机等。近年来，螺旋压力机的发展逐渐朝着大吨位方向进行，其中一项关键性技术就是机架的合理设计与制造，它的质量大、结构比较复杂，不仅要承受锻压生产中所产生的力和力矩，而且是连接螺旋压力机各项机构的基础，因此对螺旋压力机的机架进行设计及研究具有十分重要的意义。

本文首先在solidworks中建立液压螺旋压力机机架装配体模型，然后直接应用SOLIDWORKS

2.2 载荷及约束条件

    由于采用1/4结构，要在对称面上加对称边界条件，同时在下横梁与立柱、立柱与底座添加相触面组(接合)，拉杆与横梁接触面添加冷缩配合，底座添加两个地脚螺栓(定义虚拟目标基准面为底座下底面)，另外施加的载荷及扭矩计算如下：

    (1)预紧状态下，在工作台及横梁中部安装推力轴承处各施加42525kN的力，由下式计算得出：

    f=P/4

    式中：P为极限冷击力，约为公称压力的2.7倍，公称压力为63MN。

    (2)在与基准面成45°的滑块导轨的两个斜面处施加8310kN·m的扭矩：

    M=DPtan(λ+ρ)/2

    式中：D为螺杆直径0.8m；P为公称压力63MN；λ为为螺旋角13°；ρ为当量摩擦角5.53°。

    (3)两个地脚螺栓的预载设为5kN·m，以保证不发生偏转为目标。

    (4)在底座下表面上施加固定约束。载荷及约束条件添加完成后如图3、4所示。

图3 添加载荷及扭矩后的机架模型

图4 添加对称及地脚螺栓后的机架模型

2.3 单元网格的划分

    在SOLIDWORKS Simulation模块下划分螺旋压力机机架的有限元网格。为了保证模拟的准确性，打开自动过渡功能，并选择较高的网格品质，以使有限元模型易生成较大应力的部位网格密度趋于合理，而其它部位的网格数量相对较少，这样不仅可有效提高模拟精度、控制计算网格的数量，并且可以减少不必要的细分网格，保证得到所需的分析精度。划分网格后的机架模型如图5所示。另外，划分网格时除了定义各项参数外，还受到设定条件以及求解目标函数的影响。如果不是很必要，尽量不要添加不必要的目标函数，减少网格数据是提高模拟效率最直接的方法。

图5 有限元网格模型

2.4 预紧载荷的选择

    螺旋压力机机身各部件是由拉紧螺母与拉杆施加预应力的，把横梁、底座、立柱连接在一起，从而形成一个整体的机身系统。拉杆的预应力对锻造过程中各部位受力有较大的影响，使机身在打击时有一定压缩量，横梁与立柱，立柱与底座间不得产生间隙和错移。预紧载荷施加后的机架，在工作打击时，横梁、底座与预紧螺母、立柱之间接触面上的力都不均匀分布，并且会发生变化；立柱与横梁、底座的高度同添加预应力前相比都会收缩。因此，用固定的约束载荷和位移法都不能准确模拟螺旋压力机工作时各部位的受力情况。

2.5 静力学分析

    各项参数设置完成后，点击野运行冶要野求解冶，得到螺旋压力机机架各部位的应力应变及位移云图(图6)。为了更直观地展示机架的应力应变及位移分布，此处采用爆炸视图。

图6 机架的应力应变和位移云图

    由图6(a)可见，在机架原始设计中，上横梁的拉杆孔处为最大应力，达到33574MPa，同时，与其配合的拉杆上法兰处的应力值达到27978MPa。由图6(b)所示，原始设计中机架的最大应变出现在最大应力值的位置，为0.067。相应地，拉杆上最大应变值仍然出现在上法兰处。这是因为压力载荷分布在横梁上，且分析为z向，使得拉杆受到巨大的拉应力，产生可观的变形。由图6(c)可见，拉杆的折断位移为17.11mm，与拉杆的直径尺寸相比，该值明显偏大。由于锻造过程中，高速的打击使得拉杆容易产生疲劳，甚至失效，因此，有效地控制拉杆的应力应变和位移，能够延长其寿命。

 3 结构优化设计

    传统的优化设计步骤都是制定目标函数要添加约束条件要选择设计变量表达式，而SOLIDWORKS软件的仿真优化功能集成于软件内部，只需要按照软件提示操作就可以完成分析过程。在对机架模型进行仿真分析后，右键点击野分析算例冶，选择野生成新设计算例冶即可进入模拟优化界面，软件主要采用多维约束最优化的方法进行分析。

    螺旋压力机机架优化的目标函数为整体质量最小，拉杆直径作为变量，它对整个机架的质量和应力应变水平有重大影响，安全系数作为约束条件，不改变机身的其他结构，以防止应力应变出现较大波动。在确定变量时，首先需要设置拉杆变量x1的取值范围，此处只能在合理的区间范围内进行不断尝试。为了防止试验机架模型几何条件出错，尽而导致优化过程不能达到预期效果，尽量不要采用Simulation默认数值，取350mm≤x1≤550mm为拉杆直径波动变化区间。此次优化取安全系数为3，通过20次迭代计算，最后成功找到机架模型优化最优解。优化前后相关数据对比见表2。为了便于以后设计生产加工，对模拟结果进行了取整处理。

表2 优化前后相关数据对比

    由表2可知，与优化前相比，拉杆直径增加了16.3%。利用优化的结构参数，重新生成机架三维模型。经过模拟分析，拉杆与横梁接触部位最大应力为732MPa，与优化前839MPa相比，应力值下降12.7%，横梁的最大位移为7mm，变形程度比优化前的17mm下降了58.8%，说明机架的强度和刚度均有较大的提高。整体安全系数提高了18.5%。

4 结论

    (1)运用SOLIDWORKSSimulation，将建模和有限元分析融合在一起，有效地解决大型机床装配体设计问题，节省时间和成本。

    (2)在工作状态下，液压式螺旋压力机的横梁与立柱之间无缝隙，机身无晃动、稳定性较好，横梁和立柱的应力应变值在合理的范围内，原始设计满足安全需求。

    (3)对螺旋压力机的机架进行优化设计，优化后的应力应变值更加合理，机身的强度和刚度优于原始设计，且安全系数提高了18.5%。