結(jié)構(gòu)輕量化在大型臥式壓鑄機中板的研究

梁顯祥+彭炬銘

摘 要：為了提高壓鑄機的生產(chǎn)性能，降低生產(chǎn)成本，本文以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化為理論依據(jù)，對大型壓鑄機的中板機構(gòu)輕量化設(shè)計進行了研究。以中板模架裝配面厚度為變量構(gòu)建了簡易的有限元分析模型，并對不同裝配面的厚度進行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。通過本次研究發(fā)現(xiàn)，使用拓?fù)鋬?yōu)化理論對壓鑄機進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了對壓鑄機的輕量化設(shè)計，降低了制造成本。

關(guān)鍵詞：大型壓鑄機；結(jié)構(gòu)輕量化；拓?fù)鋬?yōu)化

當(dāng)前，制造業(yè)市場競爭越來越激勵，因此降低生產(chǎn)制造成本，提供產(chǎn)品競爭力對于促進企業(yè)發(fā)展具有重要意義。設(shè)備的結(jié)構(gòu)輕量化是指在不改變設(shè)備強度、剛度的情況下，盡可能的減少原材料的使用。以往采用的結(jié)構(gòu)輕量化主要是通過反復(fù)設(shè)計實驗、反復(fù)計算校核，比較麻煩，需要大量的人力、物力投入。現(xiàn)在，將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化思想和有限元相模擬結(jié)合，大大提升了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計效率[1]。

1、拓?fù)鋬?yōu)化理論

應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化理論可以針在給定的空間中計算出最優(yōu)的材料分布，且大大改善了機械的結(jié)構(gòu)性能，減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。當(dāng)前常應(yīng)用的方法包括均勻化方法、變厚度法及變密度法。均勻化方法側(cè)主要是對材料的描述方式方面，常應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)細(xì)胞，在優(yōu)化過程中主要以微結(jié)構(gòu)單胞尺寸作為拓?fù)湓O(shè)計變量。變厚度法則屬于幾何描述，主要是以結(jié)構(gòu)中的單元厚度為拓?fù)湓O(shè)計變量，通過厚度分布直接確定最優(yōu)的拓?fù)洌潜容^直接的尺寸優(yōu)化方法。變密度法則是通過設(shè)定假想密度值，通過有限元模型求得最優(yōu)化問題。

2、壓鑄機中板有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1構(gòu)建有限元模型

壓鑄機的零部件模型如圖1所示，其中板原始三維模型則如圖2所示，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在中板的模架上裝配了很多T型槽，主要用來固定模具，而增力裝配面上則分布有4個矩形槽，在邊角上則分布有4個格林姆柱配合的通孔[2]。為了提升優(yōu)化效果和網(wǎng)格質(zhì)量，可以對該模型做一些優(yōu)化，比如忽略T型槽等，簡化后的模型可以直接進行六面體網(wǎng)格劃分，將模型整體分為設(shè)計區(qū)與非設(shè)計區(qū)兩部分。

2.2施加約束載荷，并優(yōu)化拓?fù)鋮?shù)

對中板施加約束負(fù)載時，要注意盡量和中板實際工況及相關(guān)參數(shù)對應(yīng)。通過對其分析可以發(fā)現(xiàn)中板的主要功能是固定模具傳遞鎖模力。在加載負(fù)荷時，可認(rèn)為銷固定在模架面通過接觸模具的部位施加1.225x104kN負(fù)載，而在建立約束時，可以向邊角內(nèi)的4個通孔表面放置Z向的自由度，約束其他自由度，中板低面能夠支撐y方向的自由度。在10個鉸孔處可以分別建立相對應(yīng)的剛性單元，對全部自由度進行約束[3]。

以上完成后對中板進行優(yōu)化，首先定義設(shè)計變量，約束條件定義為滿足應(yīng)力約束。需要注意，為了制造加工方便，可以將最小尺寸、最大尺寸及拔模約束添加到系統(tǒng)中，這樣便完成了對單數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，可以提交系統(tǒng)分析。

3、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

3.1預(yù)留厚度對優(yōu)化的影響

通過對本次優(yōu)化結(jié)果觀察發(fā)現(xiàn)，預(yù)留厚度在優(yōu)化后模型的減重比、變形量等方面都產(chǎn)生了重要的影響。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果繪制的減重比和變形量變化圖如圖3所示。由此可以看出，伴隨著預(yù)留厚度的不斷增加，優(yōu)化后模型 減重比整體呈下降趨勢。而且預(yù)留厚度越大，非設(shè)計區(qū)的質(zhì)量便越大，而設(shè)計區(qū)的材料便越小，最終導(dǎo)致減重比不斷下降。

通過對圖中的數(shù)據(jù)比較，也可以發(fā)現(xiàn)變形量整體上是不斷減小的，當(dāng)預(yù)留厚度達到25～150mm時，變形量會隨著厚度增加進一步減小，而當(dāng)預(yù)留厚度達到150～200mm時，變心量會隨著厚度增加而逐漸增加，當(dāng)預(yù)留厚度超過200mm時，變形量則會隨著厚度增減不斷減小。當(dāng)預(yù)留量在25～150mm時，中板比較薄，因此在應(yīng)力的作用下發(fā)生的變形較大，而變形量則會隨著預(yù)留量增大不斷減小。隨著預(yù)留量值不斷增大，到達某一值后非設(shè)計區(qū)內(nèi)的厚度便會達到最低應(yīng)力要求，因此優(yōu)化后中間部位的厚度優(yōu)于結(jié)果低于25～150mm時的優(yōu)化結(jié)果[4]。

3.2確定優(yōu)化結(jié)果

通過對以上數(shù)據(jù)的分析，得到中板模架裝配面所設(shè)的預(yù)留量在150mm時，減重比比較大，而且變形位移減小，此時獲得的優(yōu)化結(jié)果最優(yōu)，因此確定當(dāng)預(yù)留量設(shè)置為150mm時，得到最終的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

4、模型重構(gòu)與優(yōu)化結(jié)果驗證

首先導(dǎo)出預(yù)留量為150mm時的優(yōu)化模型，然后在三維建模軟件中構(gòu)建中板幾何與有限元模型，如圖4所示，根據(jù)實際情況設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、約束應(yīng)力，然后從靜態(tài)力學(xué)角度分析中板有限元模型的優(yōu)化情況。

對優(yōu)化前后中板模架的裝配面最大位移量進行分析，大約為0.21mm，優(yōu)化后的數(shù)值大約為0.3mm。優(yōu)化前中板最大應(yīng)力大約為83MPa，優(yōu)化后中板的最大應(yīng)力大約為110Mpa。不過，優(yōu)化后的中板應(yīng)力中，除了鉸孔邊緣位置的少數(shù)單層單元局部的應(yīng)力過大，如倒角、圓角等可以改善，而其余部分的應(yīng)力則多數(shù)都不足80MPa，QT450球墨鑄鐵屈服應(yīng)力大約為310MPa，可以應(yīng)用。通過綜合分析比較，優(yōu)化后模型中板的應(yīng)力及應(yīng)變值均顯著上升，但上升幅度并不大，所以符合工況要求，經(jīng)過優(yōu)化后相關(guān)性能也得到了更好的展現(xiàn)，應(yīng)用更充分，與之前相比，優(yōu)化后中板模型質(zhì)量降低了約26%，說明拓?fù)鋬?yōu)化非常具有優(yōu)勢[5]。

5、結(jié)語

本次通過有限元模型與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論，對大型臥式壓鑄機中板進行了優(yōu)化。通過研究發(fā)現(xiàn)，模架裝配面厚度情況會直接影響設(shè)計區(qū)域材料分布，當(dāng)預(yù)留厚度增加時，增加值不同，變形量程度也不同，經(jīng)過綜合比較分析，最終確定當(dāng)裝配面厚度在150mm時，中板的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果最為理想。

參考文獻：

[1]張琦，張帥，萬水平，高強，陳余秋，趙升噸. 大型臥式壓鑄機中板的結(jié)構(gòu)輕量化研究[J]. 機床與液壓，2013，05：9-14.

[2]賈旺興，房師平. 起重機起升機構(gòu)輕量化的研究[J]. 起重運輸機械，2013，06：62-65.

[3]李雄，韓勇，闕彬元. 某排水車舉升滑動機構(gòu)輕量化設(shè)計[J]. 廈門理工學(xué)院學(xué)報，2016，01：19-23.

[4]張東海，曹旭陽，湯秀麗，羅曉芳. 輕量化橋式起重機起升機構(gòu)動力學(xué)研究[J]. 起重運輸機械，2016，11：1-6.

[5]鄒麗，湯秀麗. 輕量化橋式起重機運行機構(gòu)的選型與設(shè)計[J]. 起重運輸機械，2014，09：1-4.endprint