SolidWorks在JB23-63開式曲柄壓力機結構設計中的應用

上官林建，杜蔚瓊，嚴大考

（華北水利水電學院 機械學院，鄭州 450011）

0 引言

曲柄壓力機是一種常用的冷沖壓設備，通常用于金屬薄板的沖壓、折彎和沖孔等冷作工藝，其結構簡單，使用方便。曲柄壓力機傳統的設計方法是在計算完成所需的數據后，用CAD軟件繪制壓力機的部件總裝圖紙和零件圖紙，然后進行零件生產，組裝完成后進行整機運轉、調試，最終完成整個機器的設計。這種方法設計周期長，零件繪制過程中直觀性較為欠缺，部分零件如機架等結構件雖然能采用建立在統計學和設計經驗的強度理論來進行分析和校核，但計算量極大，效率不高。因此采用建模功能和有限元分析集成的設計軟件SolidWorks，在零件模型完成后能利用自身的有限元分析功能分析零件在載荷狀態下的應力應變分布情況，并能對模型直接修改，這樣就能大大提高設計的效率，減少設計開發成本。

1 Solidworks環境下的零件設計

1.1 Solidworks簡介

Solidworks是Dassault Systemes 公司推出的基于Windows視窗下的三維CAD設計軟件。1995年，SRAC公司同Dassault Systemes合作開發了CAE有限元分析軟件COSMOSWorks，作為嵌入式軟件同Solidworks實現了無縫集成。在Solidworks2010中，COSMOS完全整合到Solidworks中（名稱改

為Solidworks Simulation），使得Solidworks可以直接在建模環境下進行零件，裝配體模型的靜態強度、扭曲、振動頻率、疲勞等有限元分析，同時也可以在Motionm模塊中動態分析零件的慣性力，沖擊載荷[2], 找出構件設計的不足之處加以修改。

1.2 曲柄壓力機的零件建模

在Solidworks環境下進行零件建模時通常采用兩種方法：1）自頂向下建模(Top-Down Modeling)；2）自底向上建模(Down-Top Modeling)。自頂向下建模是預先完成整機的基本輪廓特征(稱之為骨架)，然后將骨架的幾何形狀信息發布到各個部件，零件以上一級骨架發布給本身的幾何信息為參考進行建模[3]。自頂向下建模能用整機頂層的骨架特征來控制各個子部件特征的尺寸,修改零件尺寸時較為方便[3]。其缺點是自頂向下設計方法較難掌握，需要在頂部骨架模型的構思和建模上耗費一定時間。自底向上建模從底層零件開始建模，完成的零件組成裝配體，最后裝配成整機。自底向上建模方法容易理解，但修改零件的過程比較繁瑣。曲柄壓力機結構簡單，因此采用自底向上的建模方法較為方便。

整機零件模型創建完成后，進行零件裝配體的建模，首先選擇機身作為基體，然后依次裝配機架、傳動軸等零件。JB23-63開式曲柄壓力機的三維模型如圖1所示。

2 Solidworks環境下的零件運動分析

建模完成后，需要對曲柄壓力機的裝配體進行機構運動分析，這樣可以查看整個設備的執行機構的運行狀態及運動過程中是否發生零件干涉的現象。傳統設計方法中運動分析通常采用兩種方法：1）圖解法；2）解析法。圖解法因其做圖、計算工作量較大，計算精度不理想，耗時較長，在實際工程設計應用中有較大的局限[4]。解析法計算精度較圖解法高，缺點是計算量太大，重復的計算極易出錯[4]。隨著計算機在工程設計中的廣泛應用，利用計算機來進行機構計算不僅速度快，精度也很理想。JB23-63曲柄壓力機的曲柄機構簡圖如圖2所示。

參照圖2，根據解析法，寫出滑塊的位移、速度和加速度運動學模型：

圖1 曲柄壓力機的三維模型

圖2 曲柄壓力機滑塊機構簡圖

滑塊的速度為：

滑塊的加速度為：

根據運動學模型(3)、(4)、(5)，可以手工計算出滑塊在某一時間段內的S、V、a的值，然后用插值法繪制出運動曲線圖，但計算和繪圖過程較為繁瑣。Solidworks Motion 模塊可以快速的計算出滑塊在某一時間段的位移速度加速度的值，計算結果既可以用X-Y曲線圖來顯示，也可以將運行模擬結果以列表的方式輸出至Excel。進入Solidworks的Motion模塊，為小帶輪添加執行旋轉電動機，轉速設置為720RPM，然后讓機構裝配體按照設定的運動關系來動作。生成的滑塊的位移，速度，加速度曲線圖如圖3～圖5所示。

圖3 滑塊的位移曲線圖

圖4 滑塊的速度曲線圖

圖5 滑塊的加速度曲線圖

忽略三角函數計算取舍的誤差，圖中顯示的結果同公式(3)、(4)、(5)的計算結果是完全相同的，因此采用Solidworks Motion進行運動分析相對于手工解析計算，速度和效率有了明顯的提高。

3 利用Simulation模塊進行壓力機零件結構的有限元分析

3.1 壓力機結構件有限元邊界條件的確定

壓力機在運行過程中，需要確定某些部件的受力情況，以及在工作狀態下零件受載時各部分的應力、形變量。如果某些部位出現應力較大的情況，則該零件在工況下可能出現疲勞屈服，甚至失效，Solidworks中集成的Solidworks Simulation模塊能對零件模型進行實時有限元分析，模擬零件在承受特定荷載下，各處應力應變的數據，這種分析是直接在建模環境下實現的。現以壓力機的機身為例進行分析，壓力機的曲柄機構示意圖如圖6所示。

圖6 曲柄壓力機的曲柄機構示意圖

受壓件的壓力通過滑塊1傳遞到曲柄，然后傳遞到機架曲柄3的軸承安裝孔上，因此每個安裝孔承受來自受壓件的壓力的1/2，方向垂直向上。同時機架齒輪軸軸承安裝孔5也承受著大齒輪7傳遞給小齒輪6的力，作用方向垂直于小齒輪6和大齒輪7的中心距，當連桿2和曲柄3垂直時，曲柄的力矩達到最大。此時作用在小齒輪為750mm，大小齒輪齒寬均為100mm，設定兩個安裝孔的受力分別為F1、F2，根據靜力矩平衡公式,

可以計算出小齒輪軸兩端的受力分別為F1=21261.77N, F2=297664.75N。

設定工作臺面為固定支撐，曲柄軸承安裝孔和小齒輪軸軸承安裝孔為力的作用面，這樣就確定了機架有限元分析的邊界條件。

3.2 Simulation分析參數的確定

根據3.1節確定的邊界條件，在Solidworks建模環境中進入Simulation模塊，為機身模型新建一個靜態算例，首先為模型指定材料，這里為機身模型指定灰鑄鐵HT200。然后為模型添加固定約束，Solidworks提供了“固定幾何體”、“滾柱/滑桿”、“彈性支承”等各種約束條件[2]，根據零件的工作狀況，選擇工作臺面添加XYZ方向幾何體固定約束。隨后設置模型荷載，壓力機設計的公稱壓力為630KN，選擇模型上的兩個曲柄軸承安裝孔的面作為力的作用面，作用荷載為0.5倍的公稱壓力。然后在小齒輪軸承安裝孔上建立齒輪副的齒向載荷，過小齒輪安裝孔的軸線新建一個基準面，令該基準面和水平面的夾角為齒輪中心線同水平面的夾角α，力的方向垂直于該基準面,這樣就設定了機身所受的齒向載荷[3]。

3.3 劃分構件網格并進行有限元計算

同ANSYS等專業的有限元分析軟件類似，Solidworks Simulation的網格劃分也同樣根據目標模型的幾何特征來建立的[2],但沒有提供如四面體、六面體等網格類型的選擇，只提供了網格精細度的調節選項。在網格劃分工具界面里，根據模型的復雜程度和需要的計算精度拖動滑塊，系統就根據模型外形來生成有限元網格[2]。最后執行有限元求解程序，進行應力和應變的有限元計算，計算結果如圖7所示。參照圖7的應變結果，利用Simulation提供的探測工具，測得左右兩側曲柄軸承安裝孔的形變數據分別為3.8mm和4.5mm，右側軸承孔的位移相對于左側大0.7mm，這樣在機器運行時會造成兩軸承不對中，長時間運行使得軸承磨損，軸承壽命減小。同時從圖中也能看出，機身的最大形變位移達到了5.7mm之多，這是因為機身兩側壁厚較薄引起的，進入零件編輯環境，將兩側壁厚由60mm改為80mm，這樣不僅兩側軸承孔的形變位移變得趨于相等，而且機身的最大形變位移也縮小到2.4mm。

圖7 機身變形有限元計算結果

4 零件二維工程圖的生成

零件模型設計完成以后，將曲柄壓力機的三維模型轉換成生產用的二維工程圖，新建空白的模板后，選擇合適的視圖方向，根據表達需要，添加如剖視圖、局部視圖、詳細視圖等圖形要素。對于裝配圖而言，需要生成材料明細表，要注意在“零件配置分組”中選中“將同一零件的所有配置顯示為一個項目”選項，這樣明細表就會正確的統計出每個零件的數量[3]。然后在圖幅中點擊明細表放置位置，這樣就生成了材料明細表。最后在各個視圖自動生成零件序號，編寫技術要求，完成用于生產的二維工程圖。

5 結論

1）利用Solidworks進行曲柄壓力機的設計，零件模型繪制完成后用Solidworks Motion模塊進行裝配體機構運動仿真，從而迅速的得到特定零件在某一時間段內的運動曲線圖，對于難以寫出或者無法寫出運動學方程的機構，用Motion模塊能迅速的得到所需要的數據，為以后機構的優化提供了借鑒。

2）利用Solidworks Simulation模塊，能在不借助第三方FEA軟件的前提下，分析零件模型在特定載荷下的應力分布情況和受力變形情況，當發現設計不合適的情況就能直接在零件編輯環境下修改，然后再繼續分析，避免了零件模型多次導入第三方FEA的繁瑣過程，提高了設計效率。

3）Solidworks工程圖的材料清單功能可以正確的統計出裝配體中零件、標準件的數量。避免了人工統計各個零件數量極容易出錯的情況，提高了圖紙的質量。

[1] 何德譽. 曲柄壓力機[M]. 北京: 機械工業出版社, 1987.

[2] 陳超祥, 葉修梓. Solidworks Simulation基礎教程[M], 北京: 機械工業出版社, 2009.

[3] 黃敬閩, 林益麗, 吳巧瑜等. Solidworks2009高級設計(第二版)[M], 北京: 清華大學出版社, 2009.

[4] 郗向儒, 藺海鷗, 黃朝陽. 高速壓力機曲柄滑塊機構運動的仿真研究[J], 重型機械, 2005(3): 28～30.

[5] 哈爾濱工業大學理論力學教研室. 理論力學(第六版)[M],北京: 高等教育出版社, 2002.

[6] 林翠青. 基于曲柄壓力機中曲柄滑塊機構的運動分析及其研究[J], 數字技術與運用, 2010: 67～68.