基于ANSYS Workbench的數控液壓折彎機機身優化設計

2014-07-08 02:15:22范云霄張厚慈金宇

機械工程師 2014年9期

范云霄，張厚慈，金宇

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

0 引言

數控液壓折彎機是一種在工程中應用廣泛的板材加工設備。折彎機的機身是折彎機承受工作載荷的主要部件之一，機身剛度不僅影響折彎機的性能和使用壽命，還直接影響機床上模具的壽命和產品精度［1］。本文以某型號的液壓折彎機為研究對象，利用ANSYS Workbench 對折彎機機身進行靜力學分析，根據結果對其進行優化設計。

1 建立折彎機機身有限元模型

本文采用ANSYS Workbench 的DM 模塊直接建立折彎機機身的三維模型，建模過程中采取了以下簡化原則［2］：

1）忽略左右側板上的吊裝孔和安裝其它裝置所做的小孔；2）省去用于底部固定的筋板或地腳螺栓，改為把底板直接和底面固定的約束方式；3）省去對整體受力影響較小的附件，如連接板、油箱等；4）將一些焊件視為整體結構，暫不考慮焊接對結構的影響；5）忽略其它一些影響不大的細節，如圓角、倒角等。

根據以上原則，建立的機身模型如圖1 所示。

圖1 機身模型

2 機身的靜力學分析

在ANSYS Workbench 中進行靜力學分析的步驟為：1）建模；2）添加材料屬性；3）劃分網格；4）施加載荷與約束；5）進行分析；6）查看結果。

建立好模型后，在ANSYS Workbench 的材料庫中選取結構鋼材料，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。然后進行網格劃分，采用的方法為自動網格劃分法，劃分后的網格如圖2 所示，其中共有11 251 個節點，5 314 個單元。該型號折彎機的公稱力為1 000 kN。折彎機工作時油缸受到滑塊對它的反作用力為500 kN，方向為垂直向上；而工作臺受到一個方向垂直向下的1 000 kN 的力。對機身底面進行全約束，施加的載荷與約束如圖3 所示。最后，進行有限元求解，得到的機身位移云圖和應力云圖分別如圖4、圖5 所示。

圖2 劃分的網格

圖3 施加的載荷與約束

從位移云圖和應力云圖可以看出，機身的最大位移變形值為1.772 2 mm；出現在油缸的頂部；最大應力值為178.19 MPa，在喉口半徑部位，是機身中最為危險的部位，這也與實際工程中機身產生疲勞斷裂的部位一致。因此，要對機身喉口半徑進行優化，降低其應力。

3 機身的優化

圖4 位移云圖

圖5 應力云圖

圖6 AWE 優化的過程框圖

Design Explorer 是ANSYS Workbench Environment（AWE）下的多目標優化工具。在Design Explorer 中進行優化設計分析是通過響應面（線）來完成的，其支持的方法是實驗數據法（The Design of Experiments method）,簡稱DOE 法，當運算結束響應面（線）的曲面（線）的擬合就是通過設計點（Design Points）來完成的［3］。AWE 環境下優化的過程框圖如圖6 所示［4］：

顯然，喉口圓角半徑的大小以及側板的厚度都會直接影響喉口處應力。所以，在優化過程中應以喉口圓角半徑的尺寸和側板的厚度為設計變量，以最大應力最小為目標進行優化，即以喉口圓角半徑的尺寸P1和側板的厚度P2作為輸入參數，以最大等效應力P3作為輸出參數。該型號折彎機的喉口圓角半徑和側板的厚度分別為150 mm、30 mm，在優化過程中設定P1和P2的取值范圍，即135 mm≤P1≤165 mm，27 mm≤P2≤30 mm。在Design Explorer 中經更新計算后，得到9組不同設計點，如圖7 所示。