2800t木板熱壓機主框架應力分析及其結構優化

張 杰，黃宗興，費國強，王超君

（1.亳州聯滔電子有限公司，安徽亳州 236800；

2.湖州師范學院，浙江湖州 313000；3.湖州思達機械制造有限公司，浙江湖州 313023）

0 前言

在木板行業飛速發展的今天，對于木板熱壓機的工作性能需求也是在不斷的提高[1]。木板熱壓機專門實現人造板的貼面工藝，是人造板生產線中最主要的生產加工設備[2]。它經常處于幾千噸液壓載荷下工作，久而久之就會出現較大的彈塑性變形，整個框架極易產生工作疲勞損傷，甚至局部結構易產生裂紋導致出現重大生產安全事故。由于框架結構是木板熱壓機的承載主體，故其設計的合理性將直接影響木板熱壓機的使用壽命[3]。

本文將熱壓機的框架結構經過受力分析，并做出優化使得熱壓機在原有的框架基礎上進行改進，旨在開展基于三維建模技術和有限元分析的熱壓機框架結構的分析研究。對熱壓機框架進行有限元的應力仿真分析目的找出容易發生斷裂和大變形的區域，并對其結構進行改進，以延長使用壽命[4]。

1 熱壓機框架的建模及受力分析

根據工廠測得的熱壓機框架詳細尺寸，借助Pro/E 5.0分別繪制框架各組成部件并進行相應的組裝，得到完整的木板熱壓機框架實體模型如圖1所示。

圖1 木板熱壓機框架實體模型

熱壓機框架受力可看作是對稱負荷。側支撐板基本不受橫向力的作用，上、下底板一端承受熱壓板傳來的均勻負荷，一端承受液壓缸法蘭的支撐反力。由于框架上、下底板的剛度對于側支撐板來說并非無窮大，也就造成側支撐板不僅只承受純拉力作用，而同時受到一定的附加彎矩作用，使框架拐角處產生較大的彎曲應力，出現很大的局部應力集中，造成側支撐板側向變形，側支撐板工作受載和變形簡圖如圖2所示。如果框架整體的剛度變差，附加彎矩還會增加，在局部應力集中處容易出現低周循環載荷疲勞裂紋，從而可能導致工作中的整體框架出現崩裂現象。此外，上、下底板的剛度不足一方面影響制品的質量，另一方面則使支承液壓缸的受力惡化。側支撐板的剛性不良，則導致熱壓板與活動橫梁運動受阻。因此在框架的設計中，要確保上、下底板的剛度，減小附加彎矩的影響，盡力把它限制在一定的范圍內。

圖2 熱壓機框架側支撐板受力簡圖

2 應力仿真分析

2.1 靜力計算理論基礎

本文框架靜力學仿真分析屬靜力學彈性應力分析。結構靜力學線性分析總的等效方程為：

式（1）中：[K]是整體結構單元剛度矩陣，﹛u﹜是單元節點位移列陣；﹛F﹜是總外載荷列陣。

通過求解矩陣方程（1）式，可得所有單元節點的位移列陣。根據位移插值函數，由彈性力學定義的幾何方程、物理方程和本構關系求得單元節點的應變和應力，單元節點的應變和應力計算表達式如下：

式（2）、（3）中：﹛ξe﹜是單元節點應變列陣；[B]是應變矩陣；﹛σ﹜是單元節點應力列陣；[D]為彈性矩陣，它取決于材料的彈性模量E與泊松比μ。通過求解式（2）和（3），可得整體框架結構中各節點的彈性應力和彈性應變[5]。

2.2 FEA建模計算

由于木板熱壓機框架結構和載荷的對稱性，取1/4三維實體模型，導入ANSYS12.0后劃分網格[6]如圖3所示。

圖3 1/4框架FEA模型

本文所選熱壓機框架的噸位是2 800噸，所以就四分之一的框架的載荷按（4）式計算：

熱壓機框架FEA網格模型建立后，通過AN?SYS軟件中的拾取點的功能，在下底板上均勻的拾取了1 789個點，而在上方兩個承受力的法蘭圈上則均勻的拾取了444個點。根據牛頓第三定律，應確保施加于上方兩個法蘭圈上的總作用力嚴格等于熱壓機下底板上所承受的總壓力，如此熱壓機框架的上底板是通過法蘭圈的力傳遞起作用，而下底板則直接受到均勻的壓力作用。由于在實際生產過程中，整個機架通過地腳螺栓連接到地基上，因此熱壓機框架的底部節點約束為全約束，而由于應力分析的框架的大小為原框架的四分之一，所以還需對熱壓機框架已切除的面上施加對稱約束。至于于在頂端支撐熱壓機所用油箱的筋條，由于整個油箱在受力中被忽略了，但是此筋條也起到了支撐作用，而且也是對稱的，所以在此處也應加上對稱約束。

2.3 仿真結果分析

設置好所有的邊界約束條件，直接采用AN?SYS求解器進行應力計算，并對應力應變分析結果進行針對性分析。圖4所示為木板熱壓機1/4框架的等效位移圖，可見熱壓機的最大等效位移位于油缸法蘭所處的上底板位置，最大位移可達2.874 mm，這一位移結果符合原有的木板熱壓機現場工作時上底板產生較明顯的彎曲變形。圖5所示表明熱壓機工作過程中，最大集中應力發生于側支撐板拐角處，并且應力值達到了617.262 MPa，遠超Q235材料本身的屈服強度，由于線性靜力計算未計及材料熱壓機工作時塑性變形后結構內部載荷會重新分配的影響，故該彈性集中應力值僅表明結構在該拐角的應力集中系數偏大，應該考慮進行結構優化來降低有害的應力集中現象，確保結構處于健康的工作狀態。

圖4 1/4熱壓機框架等效位移

圖5 1/4側支撐板拐角處最大等效應力

3 結構優化

圖6 優化前側支撐板形狀

根據上述的彈性靜力仿真分析，可知側支撐板拐角處存在嚴重的應力集中現象，結合工廠施工現場以及快速可行的修補措施后，本文提出了結構優化設計方案如圖6，7，兩者對優化前后的局部結構進行了詳細的對比。圖8通過三維結構更加形象地描述了優化設計后的三維實體結構，即在側支撐板與上底板交界的拐角處（應力集中最大處）擴大圓弧倒角[7]。

圖7 優化后側支撐板形狀

圖8 修改后1/4三維實體模型

基于結構優化后的FEA模型受載情況和邊界條件定義沒有發生任何改變，故仍按照原有設置的條件和材料參數導入ANSYS計算，得出如圖9所示的1/4框架結構最大等效應力降至232.432 MPa，稍低于框架材料Q235的屈服強度235 MPa，即有效避免了木板熱壓機的框架在工作狀態下不發生材料循環累積屈服而致結構疲勞失效發生[8]。

圖9 優化后框架的最大等效應力

表1 優化前后仿真結果對照圖

表1詳細對比了木板熱壓機框架優化前后的最大等效應力區間和最大等效位移區間，顯然結構優化后整體框架的最大等效應力值降到材料屈服強度以下，最大等效位移也下降了35%左右，如此設計可確保了熱壓機在最大設計載荷下正常穩定工作，達到了優化設計目的。

4 結論

根據上述木板熱壓機框架局部結構優化前后的應力仿真分析結果和對照，首先可清楚看到框架上下底板的最大等效位移為1.831 mm，比優化設計前的最大變形2.874 mm要小了1 mm多，降低36.3%，可見加了側面支撐板的拐角處增加倒角半徑相當于增設了加強筋的方法，總體上效果還不錯；其次，在優化后的框架上沿和下沿的應力集中處，框架整體最大等效應力計算結果由617.262降至232.432 MPa，降幅達到62.3%，稍低于熱壓機框架所采用的Q235材料的屈服強度極限，而且優化后的熱壓機倒角處的應力分布較沒有修改前時的應力分布更加均勻，如此可有效減少木板熱壓機在每一次工作循環過程的局部應力集中處結構發生循環塑性變形累積，大幅增加了木板熱壓機整體框架的使用壽命；最后，基于ANSYS的等效應力仿真計算可以為木板熱壓機相關機械設備的強度優化設計提供可行的設計方法。

［1］胡廣斌.人造板熱壓機的發展歷程［J］.林產工業，2005，32（1）：50-53.

［2］盛振湘.我國人造板機械發展方略芻議［J］.林產工業，2005，32（4）：51-53.

［3］李紹昆，姜仁龍.中密度纖維板多層熱壓機的熱壓過程分析［J］.中國人造板，2008（6）：20-23.

［4］吳靜，鄭玉卿，陳志威，等.木板熱壓機整體框架結構應力強度分析及改進措施［J］.現代機械，2011（6）：54-56.

［5］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［6］趙恒華，高興軍.ANSYS軟件及其使用［J］.制造業自動化，2004，26（5）：20-23.

［7］高翔，胡淼.框式熱壓機機架有限元分析及結構優化設計［J］.機械設計，2009，26（4）：62-64.

［8］常楠，楊偉，趙美英.典型復合材料加筋壁板優化設計［J］.機械設計，2007，24（12）：46-48.