三万吨模锻水压机和一万吨多向模锻水压机是我国国防和基础产业的关键设备,为我国的军工及民用产品生产发挥了巨大的作用。3万吨和一万吨水压机均为上世纪70年代初建造,其能力和制造精度均难以满足现代国防工业、能源工业等迅速发展对高精度超大规格锻件的需求。因此,国防科工委、国家计委和原中国有色金属工业总公司等下有关部门分别下达专项,决定对其进行现代化功能升级与高技术改造。极端巨大的机械结构的载荷传递与三维空间变形控制是巨型精密模锻水压机设计的核心问题,是水压机精确操作与运行控制的基础。本文以三万吨模锻水压机为研究对象,结合巨型框架结构、垫板结构与螺纹连接组件的力学分析和结构特点,系统建立了具有多维多元超静定、强应力下的非线性接触特征的结构强度与刚度分析的多体弹性接触混合有限元方法:运用现代强度理论、检测技术与计算机技术,研究查明了模锻水压机本体主结构的载荷真实传递和变形规律及各种工况条件下各核心构件的强度储备水平及动态峰值部位,揭示了水压机运行过程中的奇异力学行为规律,如:超静定结构导致的载荷演变特点、附加载荷的产生机制与原因、多体接触/运动副间隙/连接安装方式等因素对局部应力畸变的影响;在上述理论研究的基础上,研制开发了水压机工况监测系统与保护系统,为实现三万吨模锻水压机的技术改造和功能升级提供了理论依据与技术实现的途径。本文的主要研究工作如下:1、大型结构的三维弹性接触问题有限元分析方法:结合巨型框架结构、垫板结构与螺纹连接组件的结构与力学特点,系统建立了具有多维多元超静定、强应力下的非线性接触特征的结构强度与刚度分析的多体非线性接触问题的计算方法和计算软件,解决了多层垫板组结、螺纹连接组件的强度与变形分析计算问题,为巨型结构的设计分析提供了新的方法与手段。2、水压机垫板组的强度和刚度行为研究:根据三万吨水压机垫板组的特点,建立了其三维非线性弹性接触分析有限元模型,提出了一种有限元混合求解算法,获得了垫板组各接触层接触应力的分布和参数影响规律,查明了载荷分布与锻件形状及支承组件结构方式的关联机制。3、立柱及其螺纹组合件的强度与变形分析:为解决重载螺纹连接的计算问题,提出了一种分析弹塑性接触问题的双重非线性有限元方法,建立了水压机立柱与螺纹组合件的接触力学模型,查明了水压机立柱在各种承载状态下的应力分布规律、立柱螺纹组件连接强度的储备水平与增压可能性。4、机架刚度的有限元分析与评估:建立了水压机主体框架(上梁—立柱—固定横梁—下横梁)有限元分析计算模型。系统查明了3万吨水压机主体框架结构在各种可能工况下的真实应力状态、动态应力峰值与分布,分别分析了中载、纵偏、横偏、斜偏等状态下水压机整体的应力状态与空间三维变形规律,为巨型水压机本体结构设计和增压改造强度分析提供了基础依据,并为水压机运行精度提升指出了技术途径。5、主工作缸力学行为分析与强度评估:通过多种模型仿真,并结合有限元计算,克服了实际测压时测点布置的局限性所带来的影响,全面获取了不同结构主工作缸的应力应变状态,并对缸底过渡区的过渡形线等结构参数进行了优化设计,为准确可靠地分析主工作缸的强度、寿命预测及其新缸体的设计提供依据。6、立柱应力在线检测及保护系统研制:基于水压机立柱的应力与变形分析,研制了三万吨水压机的集成式工况监测和非接触式立柱应力保护检测及保护系统,完全满足实际生产过程对检测系统的高精度与实时性要求,采用动态零点采集技术,消除了环境温度变化、零点漂移等因素对应力检测精度的影响,填补了在大型模锻水压机上实现立柱应力高精度检测的空白。基于以上各方面的系统研究结果,本文提出了三万吨水压机功能升级的可行技术途径:在不改变主体结构和不更换主要承力构件的条件下,通过对水压机运动和载荷的有效控制,实现运动的高度同步和偏载抑制,减少附加载荷的产生,同时通过锻造工艺的优化和模具结构的合理设计,减少变形抗力和提高其均匀性,从而使水压机原隐式的过载潜力转化为主锻造过程的实际承载能力提高。该技术途径已经成功实施,实现了我国三万吨水压机的现代化改造与功能升级。