銅陽極板壓機龍門架的有限元分析

楊 釗，孫東明，趙德化，武建華

(1.昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650500;2.北方銅業垣曲冶煉廠，山西 運城 044000)

0 前言

銅陽極板在電解的時候容易產生厚度不均勻、板面結構不規整等問題，因此必須對其通過壓機整形，才能滿足相關的生產需要。

壓機作為一種重要的金屬壓力加工裝備，其規格和制造能力直接反映著一個國家的工業生產水平。近年來，隨著我國的機械制造業在迅猛的發展，對于壓機的龍門架承載能力和使用壽命也提出了更加嚴格的要求。

銅陽極板壓機主要適用于將有色金屬冶煉中電解出來的銅陽極板的吊耳壓平。壓機龍門架雖然不是一個很復雜的機械結構，但是要在相對比較惡劣的工作環境中保證其使用的安全和實現壓機的功能，龍門架的可靠性便成為了重中之重。因此，為了保證壓機龍門架的安全性和可靠性，本文利用Ansys Workbench軟件對壓機的龍門架進行相關的有限元分析，主要研究壓機龍門架在受力時的形變，并對其結果進行強度的校核分析。

1 建立壓機龍門架的三維模型

壓機龍門架主要是由底梁、立柱、上橫梁、拉桿、液壓缸等幾部分構成。底梁、立柱、上橫梁是空心方管，厚度均為8 mm。由于分析時只是針對整個龍門架的形變和強度進行分析，因此建模時進行了簡化，上橫梁中液壓缸的安裝部位被取代，使上橫梁成為一體的。實驗選擇的是Ansys Workbench 12.1軟件，主要建模由Design-Modeler來完成。對于簡單的三維模型創建，盡可能的選擇Ansys Workbench的自帶幾何模型庫進行三維建模，以避免當模型導入Ansys Workbench時發生數據丟失，同時使模型更加真實，分析也更加準確可靠。對于稍微復雜的三維模型的建模，選擇了Sold Edge V20三維建模軟件，建模后將其另存為Parasolid格式，才能順利的將模型導入到Ansys Workbench中進行有限元分析。其三維模型如圖1所示。

圖1 壓機龍門架三維模型Fig.1 3D model of the press gantry

2 建立壓機龍門架的有限元模型

2.1 定義材料的屬性

本文采用的材料是Q235結構鋼，其彈性模量和泊松比分別為E=2.0×1011Pa，μ=0.25。

2.2 在Ansys Workbench中定義模型參數

2.2.1 定義模型的接觸類型

由于壓機龍門架是由很多零部件組成的一個整體，屬于線性靜力結構，所以在進行分析時，必須先定義零部件的接觸類型。在Ansys Workbench中，有結合、不分離、無摩擦、粗糙、摩擦等五種接觸類型。其中無摩擦、粗糙、摩擦屬于非線性的;結合、不分離屬于線性的。但是不分離允許接觸面之間有較小的無摩擦的滑動，與龍門架的整體結構不符。因此，本模型定義龍門架采用的接觸方式是結合。在Ansys Workbench軟件中總共定義了134對接觸關系。

2.2.2 三維模型的網格劃分

在Ansys Workbench12.1中主要是提供了兩類不同的網格文件，其中包括有限元網格和計算流體力學網格。有限元分析(FEM)的網格包括機械動力學(隱式)仿真網格、顯式動力學仿真計算網格和電磁場仿真網格。而計算流體力學(CFD)的網格包括ANSYS CFX計算的網格和ANSYS FLUENT計算的網格。

在ANSYS的網格劃分平臺中，對于三維模型，ANSYS提供自動劃分網格法、四面體劃分網格法、掃掠法、多域法和Hex Dominant法。

本模型壓機龍門架屬于比較規則的幾何體，因此采用自動劃分網格法，使模型產生六面體網格。網格劃分后，龍門架有限元模型總共產生了87 143個節點和31 554個單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 龍門架網格劃分后的有限元模型Fig.2 Finite element model of gantry meshing

2.2.3 載荷及約束

由于龍門架是固定在地面上的，因此先將龍門架的兩個底端加上固定約束(Fixed Support)，該約束限制了龍門架x、y、z方向的平移和轉動，即限制了龍門架的所有自由度。

壓機龍門架的工作情況是銅陽極板吊耳置于立柱的墊板上，然后壓機再進行壓平。本文模擬負載為100 kN，由于液壓缸已經被簡化，而龍門架受力時是受到液壓缸的方向豎直向下的作用力，而上橫梁則是受到墊板豎直向上的反作用力，二者均為100 kN。

3 三維模型的有限元分析

3.1 求解

使用Ansys Workbench對加載后的三維龍門架模型進行求解，所得到的龍門架受力時的變形圖如圖3所示。Von-Mises應力圖如圖4所示。

圖3 壓機龍門架受力時的變形圖Fig.3 Deformation of press gantry

由圖3看出龍門架受力時，兩根立柱和上橫梁位移比較大，而底梁則是因為被固定了，所以位移為零。由圖4可以看出龍門架受力時，各個結構的應力均小于70 MPa。

圖4 Von-Mises應力圖Fig.4 Von-Mises stress diagram

3.2 模型的分析

壓機龍門架的最大工作載荷為100 kN。在工作中，由于壓機工作時液壓桿的速度和加速度都較小，因此，在此模型的分析中，假設載荷是靜止的，分析就只考慮最大工作載荷對整個龍門架的影響，忽略龍門架的自重和載荷加速啟動或制動時產生的慣性載荷的影響。

對整個龍門架在Ansys Workbench中進行有限元分析時，分析的結果中位移單位是mm，應力單位是MPa，載荷單位是N。

由龍門架的變形圖圖3可知，龍門架上橫梁由于受到壓力，從而有拱形的變形，而最大的變形位置則是位于上橫梁中間處，最大的變形值為0.862 mm。圖4則是龍門架的等效應力圖，由該圖可知，龍門架的最大應力值為67.853 MPa，龍門架的材料為Q235結構鋼。這種材料的屈服應力σs=235 MPa，由此可見，該結構在受力后，強度還是符合安全生產要求的。

4 結論

通過對壓機龍門架的三維建模和有限元分析后，得出以下結論:

(1)龍門架的強度和剛度是符合實際的生產要求的。

(2)龍門架的應力分布是不太均勻的，上橫梁中間有較大的應力，立柱的應力也是集中在上半部分，而下半部分的應力基本為0 MPa，因此可以通過對龍門架的局部結構進行優化來改善該結構的受力狀態。

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