预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析

1、预应力钢丝缠绕机架坎合梁的整体性分析彭俊斌1, 2 颜永年1, 2 张人佶1, 2 林 峰1, 2(1. 清华大学机械工程系 北京 100084；2. 清华大学先进成形教育部重点实验室 北京 100084)摘要：分析了预应力钢丝缠绕机架坎合梁的承载原理和影响其承载能力的因素。采用Patran/Marc有限元软件，分析了加载载荷和剖分界面抗剪系数对钢丝缠绕预应力机架中的坎合梁整体性的影响。进行350 MN涡轮盘模锻液压机模型对比试验。数值模拟和模型试验结果一致，表明当梁的剖分界面不采取坎合处理，完全靠自然摩擦保持其完整性时，机架在预紧状态能保持很好的完整性，但在合成状态，会产生错移；当剖分面经过

2、坎合处理后，界面抗错移能力大大提高，机架在最大工作载荷下依然能够保持很好的完整性。 关键词：预应力 坎合梁 坎合系数 中文分类号：TU3780 前言在20世纪70年代中后期，瑞典ASEA公司、前苏联和我国相继开展了钢丝或钢带缠绕预应力结构的研究。钢丝缠绕预应力结构就是用高强度钢丝将上下梁和立柱缠绕、预紧，构成液压机的承载框架。上世纪90年代利用钢丝缠绕预应力技术我国还自行设计制造了50 MN至400 MN板式换热器液压机130余台。至今全国各种钢丝缠绕材料成形压机投放市场共达1 000台套左右。在重型模锻液压机上，上下梁重量大、体积大，整体制造需要很强的铸锻能力，且质量风险大，成本高，在运输、

3、吊装方面的难度也不可忽视。为此清华大学机械系在设计350 MN航空涡轮盘模锻液压机和360 MN钢管垂直挤压机时，都对上下梁进行了剖分，采用预应力坎合梁的形式。等难度。例如：350 MN压机1：10模型结构如图1所示，将半圆梁分成1、2、3、4四块，1、2、3组成拱形梁，4则为小半圆梁。1 坎合梁承载原理分析坎合梁是基于预应力坎合连接的原理的一种新型结构梁。预应力坎合连接就是用预应力场将经过坎合处理后的剖分间组合成具有承载能力的整体件。预应力坎合连接具有较强的抗错移能力，其本质上是通过多峰结构的互相嵌入来实现的。小尺度之多峰结构的嵌入抗错移能力很有限，在机械设计中运用较少，这种情况即普通机加工

4、表面的自然摩擦(简称自然摩擦)。大尺度多峰的嵌入，即机械抗剪结构能够产生较大的抗错移抗剪能力，但容易产生应力集中，在疲劳载荷下容易形成裂纹，造成破坏1。坎合梁机架和普通的预紧机架一样需要承受两种力学状态：预紧状态、合成状态。在预紧状态下，坎合面沿切线方向的压力F很大(图2)，坎合面不会产生错动；在合成状态下，随着工作载荷的不断加大，坎合面沿切线方向的压应力F逐渐变小，坎合面较容易发生错动。要使梁在承载时保持其完整性就需要有在界面有足够的抗错移能力。提高抗错移能力可通过增大界面间正压力或提高界面抗剪系数(即界面最大抗错移力和界面正压力的比值)达到。正压力随着钢丝预紧力的增大而增大，但过大的预紧力

5、，会造成机架在预紧状态下产生破坏和制造成本的提高，在工程实际中预紧系数一般选取在12范围内。靠正压力的增大来提高抗图1 钢丝预应力坎合机架钢丝缠绕预应力坎合梁机架是在原有缠绕结构的基础上演变出来的一种新式结构。它是运用预应力坎合连接的新技术，将超大、超重且难于制造加工的上下梁分为4块，以降低其加工、制造、运输错移能力范围有限，还须提高界面的抗剪系数。图2 坎合梁坎合界面切向压应力示意图抗剪系数在只用自然摩擦抗错移时是摩擦系数，在使用坎合连接时则是坎合系数。自然摩擦系数=P/F；坎合连接的坎合系数=P/F。其中，P为界面最大抗错移力，F 为界面正压力。自然摩擦系数对于普通钢材在一般在0.2以下，

6、提高很困难，需要较为苛刻的条件；坎合系数则可以通过改变坎合界面的表面结构达到0.8，甚至更大，用坎合连接的方法方法，可使坎合梁的抗错移能力得到很大的提高，以满足坎合梁在承载时的完整性。2 坎合梁机架的有限元建模钢丝缠绕机架存在三种力学状态：预紧状态、工作状态、合成状态，只有两个独立状态。本文采用Patran/Marc对350 MN模锻液压机1：10模型坎合梁机架的预紧状态和合成状态进行分析，研究预紧系数、坎合系数以及偏载对坎合梁整体性的影响。 2.1 几何建模钢丝缠绕机架具有几何对称性，在研究中心载荷的影响时，可采用1/4模型进行分析；在研究左右偏载时，载荷在左右方向不对称，可采用1/2模型进

7、行分析，如图3所示。由于坎合系数和摩擦系数都为抗错移力与正压力的比值，在本有限元计算中不考虑坎合系数与摩擦系数原理的差别，都用摩擦系数代替坎合系数进行分析。分析中，梁和柱以及梁的剖分界面都设置为不穿透接触，可以模拟机架在加载时的错移情况。图3 钢丝缠绕机架的1/2模型2.2 预紧状态边界条件模型中假设所有钢丝均匀受拉，则预紧状态钢丝所受拉应力为682 MPa，预紧总吨位应为4.5 MN。在模型中将所有钢丝简化成一条钢带，采用对钢带进行降温冷缩的方法，得到预紧力。即让钢带从一个较高温度降至设定的较低温度，调整钢丝材料的热膨胀系数，得到需要的预紧力。文中设置钢丝从100 降至0 ，调整钢丝的热膨胀

8、系数，最后得到设计的预紧力。 2.3 合成状态边界条件合成状态就是在预紧机架（包括钢带）的上下半圆梁上沿垂直方向进行加载。采用均匀压力加载，如图4所示，使得加载载荷达到所需吨位,考虑到压机存在一定超载功能，文中加载最大载荷为4.08 MN，相当于超载17%。图4 合成状态均匀压力加载示意图3 有限元结果分析3.1 预紧状态通过降温处理使得钢丝在沿立柱方向上产生了681 MPa的拉应力，此时总预紧力为4.5 MN。在同样的条件下，将梁的剖分面的坎合系数从0.05变化至1.5，对预紧状态的影响不大。以坎合梁圆心建立柱坐标，观察坎合梁沿切线方向的压应力。如图5所示坎合梁坎合面切线方向的压应力平均值为

9、61.8 MPa。图5 切向压应力云图同样在该坐标下，观察坎合梁沿径向的位移变化。如图6所示坎合梁坎合面处没有发生错动，这表明在预紧状态下能够很好地保持良好的整体性。图6 径向位移云图3.2 合成状态合成状态下，坎合面之间沿切线方向的压应力随着加载载荷的加大呈线性逐渐减小，如图7所示，这和机架工作在弹性状态下情况相符。当工作载荷加载至4.08 MN时，坎合梁沿切线方向的平压应力降至17.4 MPa。)aPM(力应压向方线切面合坎加载载荷（t）图7 坎合面切线方向压应力随载荷的关系由于切线方向压应力会随载荷的增大而减小，所以在合成状态下加载载荷以及坎合系数对坎合梁的整体性有较大影响。 3.2.1

10、 中心载荷大小的影响)mm(量移位加载载荷(t)图8 坎合界面的错移量值图9 坎合界面在不同载荷下径向错移云图抗剪系数为0.2，预紧力为4.5 MN时，中心载荷从0.81 MN加至4.08 MN，坎合梁坎合面的径向位移差变化如图8、9所示。从图9中可以发现，加载载荷在1.63 MN以前，坎合面基本没有错移，加载到2.44 MN时，坎合面开始产生错移，且载荷越大，错移量也越大。这说明抗剪系数为0.2的情况下，坎合梁不能在最大工作载荷作用下保持完整性。 3.2.2 偏载大小的影响抗剪系数为0.2，预紧力为4.5 MN时，偏心载荷的偏心距为12 mm，载荷从0.81 MN加至4.08 MN，坎合梁坎

11、合面的径向位移变化如图10所示。同样可以看出，当偏心载荷加载至2.44 MN时，坎合面开始出现错移。)mm(移位加载载荷(t)图10 偏心载荷下坎合界面的错移量值通过以上可知如果剖分面不进行坎合处理，只靠自然摩擦系数（通常小于0.2）是不能满足压机承受最大载荷完整性要求的。 3.2.3 坎合系数的影响对坎合面进行坎合处理后，其抗剪系数会有所增大，一般可以达到0.6以上，甚至大于1。为此，在分析时可以考虑抗剪系数从小到大增加对坎合梁整体性的影响。在中心载荷的作用下，当载荷加载至4.08 MN时，坎合系数从0.05增至1.5时，坎合梁在径向上的位移如图11、12所示。从图12中可以看出，随着坎合系

12、数的增大，坎合面的错移逐渐减小，当坎合系数增大到0.6时，基本上可以认为没有发生错移，坎合梁能够保持很好的完整性。)mm(量移错摩擦系数图11 中心载荷下坎合系数的影响图12 坎合界面在不同坎合系数下径向错移云图同样在偏心载荷的作用下，当载荷加载至4.08 MN时，坎合系数从0.05增至1.5，坎合梁在径向上的位移如图13所示。也发现当坎合系数增大到0.6时，坎合界面不发生错移，坎合面保持很好的完整性。从以上分析结果可知，在抗剪系数为0.2时（即普通意义上的摩擦系数），不能满足机架在合成状态的完整性要求，会发生错动；但当抗错移系数增大到0.6时（即坎合系数），预紧系数仍然保持1.5，超载17%

13、，机架在承受最大工作载荷时能很好的保持其完整性。）mm（量移错摩擦系数图13 偏载时坎合系数的影响4 机架模型的试验分析按照350 MN涡轮盘模锻液压机1：10尺寸加工出的机架模型如图14所示，其预紧系数为1.5，最大工作载荷为3.5 MN。试验对在剖分面采用坎合处理和未采用坎合处理的两种情况下加载时的完整性。图14 几家模型的实体照片4.1 未进行坎合处理试验分析在剖分界面面没有进行坎合处理，在受载过程中，剖分界面只靠自然摩擦力保持其完整性，摩擦系数一般都低于0.2。预紧后在坎合连接面侧面处均匀涂上油漆。当加载至1.98 MN时，坎合表面油漆产生沿剖分面的贯通裂纹，并有一定的错移，如图15所

14、示。图15 自然摩擦连接界面加载后错移图4.2 进行坎合处理的试验分析在剖分界面进行坎合处理，将剖分界面处理成具有深0.5 mm、宽2 mm同心圆多峰结构，并在界面间夹加过0.5 mm厚的TA2钛板，形成过渡板压印式坎合界面。机架在受载过程中，坎合界面可以靠着较高的坎合系数保持完整性。中心载荷和偏心载荷都加载至3.5 MN时，各的应用打下了基础。参 考 文 献1 颜永年，林峰，吴任东，彭俊斌，等一种预应力坎合连接方法P 200510098584.1. 2006-05-10YAN Yongnian, LIN Feng, WU Rendong, et al. A methodof pre-stre

15、ssed bumpy-ridgeP. 坎合面油漆完好，无任何漆裂，也未见错移，如图16所示。图16 坎合连接界面加载后完好图通过模型实验发现，其结果和有限元分析的结果一致。在剖分界面只靠摩擦系数抗剪时（即相当于坎合系数0.2左右），机架在承受一定载荷后在坎合面会发生错移，无法保证完整性；当剖分面经过过渡板压印式坎合处理后（坎合系数可达0.8左右），机架在承受最大工作载荷时，可以保持很好的完整性。5 结论(1) 坎合梁在预紧状态下，在剖分界面上具有较大的压应力，抗剪系数即使很小也能够保持很好的完整性。(2) 在合成状态下，随着工作载荷的增大，剖分界面上的压应力逐渐减小，抗剪系数较小时，坎合梁会在

16、坎合面上产生错移，不能保持很好的完整性。(3) 通过对坎合面进行处理，使得坎合面的抗剪系数增大，可以使得坎合梁的抗错移性能得到很大提高，在预紧系数为1.5的情况下，即使有17%的超载，只要坎合系数达到0.6就可以保证坎合梁在承受最大工作载荷时不发生错动。(4) 坎合梁的剖分界面进行坎合处理后，可以承受一定的偏载。(5) 通过有限元分析和模型实验为坎合梁在350 MN模锻液压机、360 MN钢管垂直挤压机上的应用提供了理论依据，为坎合结构在重型机械领域200510098584.12006-05-10.2 YAN Y N，PENG J B，LIU H X， etc. Research and Ap

17、plications of Bio-Multimodal,Bio-Hierarchy StructureC/ Frontiers of Design and Manufacturing. Proceedings of the 7th ICFDM2006.June19-22,2006,Guang-dong University Of Technology, Australia：Frontiers of Design and Manufacturing，2006：273-278.3 颜永年，俞新陆机械设计中的预应力结构M北京：机械工业出版社，1989YAN Yongnian, YU Xinlu.

18、Prestressed structure in the mechanical design M. Beijing：China Machine Press, 1989.4 林峰，颜永年，吴任东，等. 现代重型模锻液压机的关键技术J 机械工程学报，2006，42(3)：9-14. LIN Feng,YAN Yongnian, WU Rendong, et al. Key technologyof modern heavy die forging processJ. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006，42(3)：9-14.5 谢尔格M，

19、戈尔博S微纳米生物摩擦学 M北京：机械工业出版社，2004SCHERGE M, GORD S. Biological micro and nanotribology natures solutions M. Beijing：China Machine Press, 2004.6 铁摩辛柯 古地尔弹性理论M北京：人民教育出版社，1964Timo Shenko Goodier. Elastic theory M. Beijing：Peoples Education Press, 1964.7 戴雄杰摩擦学基础M上海：上海科技出版社，1984DAI Xiongjie. Tribology found

20、ationM. ShangHai：Shanghai Science and Technology Publishers，1984.Integrity Analysis of Bumpy-ridge Beam in the Pre-stressed Wire WindedFrameworkPENG Junbin YAN Yongnian ZHANG Renji LIN Feng(1. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084;2. Key Laboratory for Advanced Ma

21、terials ProcessingTechnology Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084)Abstract: The principle of carrying and the influencing factors of bearing capacity of bumpy-ridge beam in pre-stressed wire winded framework are analyzed. The applied load and anti-shearing coefficient on divided surface would influence the integrity of Bumpy-Ridge beam in the pre-stressed wire winded framework. This