卷板機(jī)床身的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

田芳

【摘 要】 首先對(duì)卷板機(jī)在卷板過程中床身的受力情況進(jìn)行了靜力學(xué)分析；進(jìn)而在保證床身結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的前提下，對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立了大型卷板機(jī)床身的有限元分析模型；通過對(duì)該有限元模型進(jìn)行有限元分析，得到床身的應(yīng)力和位移結(jié)果，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以床身的重量為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使床身結(jié)構(gòu)更趨合理。

【關(guān)鍵詞】 卷板機(jī) 有限元 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大型卷板機(jī)的床身結(jié)構(gòu)是重要活動(dòng)件，外形龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其強(qiáng)度和剛度對(duì)整機(jī)性能和加工工件的精度均有很大影響。為提高卷板機(jī)的性能和減少耗材，降低生產(chǎn)成本，需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)上述情況，本文在三輥卷板機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，以某大型卷板機(jī)為例，利用有限元軟件建立床身的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行受力分析及優(yōu)化改進(jìn)。

1 卷板機(jī)床身的有限元分析

1.1 卷板過程中床身的受力分析

本文分析模型為某大型卷板機(jī)。具體參數(shù)：卷板材料為Q235，工件卷制最小半徑600mm，兩下輥中心距700mm，下輥直徑520mm，上輥直徑680mm。三輥卷板機(jī)卷制鋼板時(shí)，鋼板受力情況，如圖1所示。

根據(jù)受力平衡，可以得到下輥?zhàn)饔糜诎辶仙系闹С至2。

（1）

式中：（—卷管最小直徑；—下輥直徑）

M---卷板時(shí)需要的最大彎矩

（2）

為簡(jiǎn)化計(jì)算，式（1）變?yōu)?/p>

（3）

計(jì)算得出，下輥對(duì)床身的力為

（4）

代入具體數(shù)值計(jì)算出F3=1874317N。

床身在工作狀態(tài)下主要承受來自兩下輥的壓力，在計(jì)算強(qiáng)度和剛度時(shí)根據(jù)上輥的受力情況，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為下輥所受的力的大小，最后加載到床身上底板上。除此之外，兩下輥的自重按密度和重力加速度的方式施加到床身模型上。

1.2 有限元建模及求解

考慮到床身結(jié)構(gòu)屬于大型對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)此建立1/2模型。針對(duì)床身結(jié)構(gòu)形狀的不規(guī)則，綜合考慮計(jì)算精度和時(shí)間，采用SOLID45單元類型和Ansys提供的智能網(wǎng)格劃分工具“Smart Size”來劃分網(wǎng)格，采用6級(jí)細(xì)分。床身是通過地腳螺釘將工作臺(tái)的底板和地面固定連接的，所以底板面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)視為全約束。考慮床身結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

求解后，床身的應(yīng)力和變形云圖如圖2所示。

從分析結(jié)果可看出床身筋板處為應(yīng)力集中高應(yīng)力區(qū)，上底板中心處為最大變形區(qū)。床身應(yīng)力沿床身長(zhǎng)度方向分布是均勻的，但應(yīng)力值偏小。從變形圖看出床身在最大工況下Y方向上的變形為0.471毫米，床身平均應(yīng)力值是60.0Mpa左右，由此得出床身結(jié)構(gòu)性能遠(yuǎn)滿足要求。說明設(shè)計(jì)的床身在材料的使用上有些浪費(fèi)，可進(jìn)一步對(duì)床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 床身的模態(tài)分析

自由模態(tài)分析是為了確定其固有頻率和固有振型，只需施加零位移約束，忽略力、壓力、加速度等載荷約束對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，因此僅對(duì)床身施加與地面接觸處的全位移約束以及床身與機(jī)架接觸處兩個(gè)方向的位移約束。

利用有限元對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到床身的固有頻率和相應(yīng)振型。因自由模態(tài)分析的前6階振型為剛體模態(tài)，故從第7階進(jìn)行床身動(dòng)力學(xué)性能分析。上梁的第7-11階固有頻率分別為49.846Hz，69.730 Hz，84.553 Hz，94.073 Hz，100.25Hz。

3 基于APDL的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)床身進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)就是在保證床身強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，通過優(yōu)化床身結(jié)構(gòu)的板厚，實(shí)現(xiàn)床身重量最小。

在SOLIDWORKS中建立幾何模型，通過數(shù)據(jù)接口輸入到ANSYS中，轉(zhuǎn)化為ANSYS的幾何模型，采用APDL語言自底而上地進(jìn)行床身實(shí)體模型的建立，然后進(jìn)入求解器執(zhí)行求解施加載荷，完成有限元計(jì)算，最后提取分析結(jié)果，定義狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)變量。

從優(yōu)化分析結(jié)果看出，床身的總體積減少0.254E+11mm3，比優(yōu)化前床身的總體積減少8.6%。從表2得出床身節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力從43.2Mpa增加到46.5Mpa，雖有較小幅度的增長(zhǎng)，但最大節(jié)點(diǎn)值仍小于在最大允許值，從而滿足床身的強(qiáng)度要求。

4 結(jié)語

通過本文分析可知在床身在結(jié)構(gòu)外形尺寸變化，結(jié)構(gòu)重量減輕的情況下，結(jié)構(gòu)的變形量仍保持在允許的范圍內(nèi)，說明應(yīng)用有限元分析對(duì)床身的優(yōu)化效果是明顯的。

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