钢管模压校直机是用于钢管校直整形的设备［1］，校直钢管外径在φ133mm~φ219mm的钢管，校直精度要求达到0.5mm/m。成型模具为整体铸造件，在钢管校正的过程中起支撑可固定的作用，工作时最大要承受重压，加工的质量和本身结构直接影响到校直的精度。使用过程中发现，由于设计时采用经验设计法，未进行严格的验证计算，模具的结构存在缺陷，在承受重压时会产生较大的形变，造成钢管校直的精度变差，影响到设备整体使用性能。为解决这一问题，使用有限元建模分析的方法，找到可行的解决方案，并为以后进一步的优化提供方向和参考。
1 模具工况简述
模具材质为ZG270-500，铸造加工，下模具共两件，通过螺纹连接固定在底座上，支撑待校直钢管，两模具中心距为1050mm。上模具固定在校直压机上，工作时上模具下压钢管，最大可施加5000KN的力。具体工作状况如图1和图2所示。
工作中，待校直钢管的最小长度为1000mm，钢管放置于两模具正中，钢管与模具的接触线沿轴线的尺寸为90 mm。此时对钢管施加压力，模具会产生较大的形变，影响到钢管校直的精度。

图1.钢管校直工作示意图
Fig.1 The working schematic of pipe straightening
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图2.钢管校直机模具实物图
Fig.2 Physical picture of the steel straightening machine molds
3.模具的有限元分析
使用Ansys 14.0对模具建模并进行有限元分析，在满足使用要求的基础上进行机构改进。
3.1有限元模型的建立
建模时为提高有限元分析的效率，建模时略去对模具特性不产生影响的细微结构，并对结构进行必要的简化，如忽略铸造圆角、倒角等。建立后三维模型如图3所示。

图3.模具三维模型图
Fig.3 The three-dimensional model diagram of the mold
3.2网格划分
在Ansys软件前处理模块中定义单元格类型并设置模具材料的参数。单元格类型采用20节点的Solid95三维六面体实体单元格。单元格Solid95是8节点单元格Solid45的高阶形式［2］，有很好的偏移形状兼容性和较高的精确性［3］。模具材料选用ZG270-500，该材质的弹性模量E在172~216GPa之间，泊松比μ在0.25~0.33之间，密度为7850Kg/m3［4］，分析时取E=2.0×1011Pa，μ=0.3。网格的划分采用自由划分的方式，在同时兼顾网格划分精度和计算速度的基础上选择划分精度为2mm。网格划分后的单元数为11184个，节点数为29111个。
3.3施加载荷和约束
模具的下表面和模压机校直系统的底座通过螺栓连接固定，分析时限制模具底面的全自由度。工作时，上模具沿钢管轴线方向一定范围内可移动操作，当上模具靠近其中一端的下模具时，对这一端的下模具施加的压力最大；当上模具在钢管的中部施压时，对两端的下模具产生的压力相等。分析时仅需考虑模具承受最大压力时的情况即可。简化后的受力分析图如下所示：

图4.受力分析简图
Fig4. Stress Analysis sketch
已知F=5000kN，依据受力分析简图计算出F1和F2。由于钢管和模具是线接触，图中各力均为沿钢管轴方向的线均布载荷，计算时为计算简便将线均布载荷简化为作用在均布中点的集中载荷，计算得F1=4120KN，F2=880KN。因此可知下模具承受最大载荷为4120kN，且为线均布载荷。按上述分析在Ansys软件中添加载荷和约束。
3.4分析计算结果
对模型进行分析计算，得到模型应力云图和应变云图，如图5所示。

图5.应力、应变分布云图
Fig.5 Stress and strain distribution
由应力分析结果可知，模具承受最大应力为109MPa，依据强度校核公式σMax ≤K•σb (式中：k为安全系数；σb为材料的抗压强度值)，材料ZG270-550的抗压强度为500MPa，安全系数取为0.8，计算可知模具承受最大应力小于模具材料本身许用抗压强度值400MPa，因此模具的强度满足使用要求。
由应变结算结果可知，模具发生的最大应变为0.83mm，数值大于钢管校直的许用精度。最大应变出现在钢管与模具的接触线附近，实际使用过程中也因为在此处发生较大变形直接影响到钢管校直的精度。因此需要对现有模具结构进行改进，减小模具承压时的变形量。
4.模具结构的优化和改进
针对现有模具变形量较大处进行分析，可知模具此处的支撑较为薄弱，受力时易发生变形，因此需要针对薄弱点进行加固改进，改进后方案如图6所示。图6所示为两种改进的方案，分别针对这两种方案再进行有限元分析，分析的结果如图7和图8所示。