基于Ansys Workbench的全鋼液壓硫化機有限元分析及優化

馬金妮，郭良剛，張維義，宋瑞華

(青島雙星橡塑機械有限公司，山東 青島 266400)

輪胎硫化工藝對輪胎的性能以及質量起到十分關鍵的作用。液壓硫化機的傳動方式為通過液壓油缸驅動上橫梁帶動上模做垂直運動，因此，液壓硫化機輪胎硫化質量的重點因素是上下模具的重復精度和同軸精度。硫化機的主機機架的設計是否合理對整機的可靠性及性能具有直接關系。主機的受力以及變形位移對于整個硫化機的性能的可靠性和使用壽命的影響是關鍵的。

有限元法是計算機輔助工程CAE中最常用的一種。本文采用有限元分析軟件Ansys Workbench對硫化機相關結構進行分析，分析流程如圖1所示。

圖1 Ansys Workbench有限元分析流程

全鋼液壓輪胎硫化機為側板框架式結構，主傳動形式為液壓驅動垂直升降式，主胎圈直徑范圍為17″～24.5″，最大合模壓力為4 415 kN，鎖緊油缸直徑為220 mm，4個加力油缸壓力為29 MPa。

本文使用軟件Solidworks建立硫化機的CAD模型，如圖2所示。對其進行模型簡化后，利用Solidworks和Ansys Workbench之間的無縫鏈接工具，導入到Ansys Workbench中，建立有限元模型。

圖2 KHP67-450全鋼液壓硫化機整機模型

側板式全鋼液壓硫化機主機由內外墻板、底座、橫梁、鎖銷等組成，結構緊湊，剛性好，結構為側板框架、左右模為各自獨立單元。在具體操作過程中，考慮到有限元計算的經濟性，在Solidworks中應對主機模型做一定的簡化處理：①倒角、倒圓特征不僅會使計算量過大，而且會降低單元格的質量，從而降低了求解速度和精度，需對其進行一定的處理；②處理未對齊表面之間產生的小平面特征；③處理零度邊情況；④處理對整體力學性能影響比較小的幾何特征，例如陣列的小孔，螺紋孔、退刀槽等；⑤去掉一些對主機整體受力情況無影響或影響比較小的零部件。

1 側板受力分析及優化

在輪胎硫化過程中，若是側板的變形量不均勻或者過大，會影響硫化機的合模精度，導致圓周方向的合模力不均勻分布，易產生硫化輪胎動平衡性差和飛邊過大等問題，因此，要保證硫化過程中良好的對中性及穩定均勻的鎖模力，側板結構的設計十分重要。

在前期設計階段，經有限元軟件受力分析優化，在內側加工有一個4 mm的圓角，如圖3所示。

圖3 側板結構優化工程圖

側板三維模型如圖4所示，本文將對圖5中圓圈處結構加工為直角的受力情況與將此結構優化成4 mm圓角時的受力情況做一分析對比。

圖4 側板簡化三維模型

圖5 溝槽處結構

1.1 添加材料

根據表1的材料屬性參數完成側板的材料設置。

表1 材料特性

1.2 設置邊界條件

為得到更為精確的結果，約束和載荷的設置應按硫化機合模時的實際受力最大時的工況設置。將側板與底座及橫梁緊貼的面及上部支撐的接觸面設置為固定約束，將壓力平均分配后添加在與底座連接溝槽及合模鎖緊孔受力作用面上。

1.3 網格劃分

有限元分析的收斂性決定了一個分析方案的可行性。由于有限元分析的精度和準確性與網格的疏密程度有很大關系，所以為了使數據結果具有權威性與可靠性，必須對有限元分析的準確性進行收斂驗證，實現的方法為：不斷細化網格直到應力和變形結果在細化前后不再改變為止。對側板采用六面體網格劃分方式，并在連接溝槽處進行細化網格，網格劃分結果如圖6所示。

圖6 側板網格劃分

1.4 求解計算及結果分析

側板勾槽處相同位置不加工此圓角時，高負荷區的最大張力為314 N/mm2，如圖7所示。當側板溝槽處直角加工為圓角，并不斷優化圓角尺寸，最終確定圓角尺寸為4 mm時，高負荷區的受力最小，此時最大張力為256 N/mm2，如圖8所示。

結論：

（1）在側板的狹槽處加工一個圓角能將最大張力降低大約23%；

（2）實踐生產中證明，最大力降低23%能夠將使用使用壽命提高50%甚至更長；

（3）現此機型的硫化機要求必須加工此圓角。

圖7 不加工圓角時的應力結果

圖8 加工圓角時的應力結果

2 底座有限元分析

底座由上下座板、左右側板、前后腹板、支腿及內部加強筋板等焊接而成，底座與側板上的溝槽通過緊固件緊密楔嵌固定在一起。簡化之后用于本文分析的底座模型如圖9所示。

2.1 添加材料

硫化機底座采用Q345材料，根據表1的材料屬性參數完成底座的材料設置。

2.2 設置邊界條件

將支腿與地面固定的面及左右與側板相連接的接觸面設置為固定約束，再最大受力工況硫化機合模硫化時，底座承受合模力，將壓力分別添加在底座上。

2.3 網格劃分

對底座采用默認網格劃分方式，將網格尺寸設定為30 mm，劃分完成的網格模型如圖10所示。

圖9 底座簡化三維模型

圖10 底座網格劃分

2.4 求解計算及結果分析

圖11為底座受力分析結果，最大應力227 MPa出現在支腿與下底座相接處，小于所用材料Q345的屈服強度，最大應力區域較小。圖12為底座變形位移分析結果，最大變形位移0.56 mm在精度控制允許范圍內。

圖11 底座受力結果

圖12 底座變形位移結果

3 上橫梁有限元分析

上橫梁由上下座板、左右側板、前后腹板及內部加強筋板等焊接而成，由鎖緊銷與主機機架側板固定在一起。簡化之后用于本文分析的上橫梁三維模型如圖13所示。

圖13 上橫梁三維模型

3.1 添加材料

上橫梁采用Q345材料，根據表1的材料屬性參數完成上橫梁的材料設置。

3.2 設置邊界條件

在最大受力工況條件下，即硫化機合模硫化時，上橫梁由鎖緊氣缸通過鎖緊銷使其鎖定在側板上，將左右側板與主機機架側板相連接的四個圓孔內表面接觸面設置為固定約束，將壓力分別添加在上橫梁連接熱板相應受力作用面上。

3.3 網格劃分

對上橫梁采用默認網格劃分方式，將網格尺寸設定為30 mm，劃分完成的網格模型如圖14所示。

圖14 上橫梁網格劃分

3.4 求解計算及結果分析

圖15為上橫梁受力分析結果，最大應力285 MPa出現在橫梁支撐板的開口圓角處，小于所用材料Q345的屈服強度，最大應力區域較小。圖16為上橫梁變形位移分析結果，變形最大位移0.45 mm在精度控制允許范圍內。

圖15 上橫梁受力結果

圖16 上橫梁變形位移結果

4 主機整體有限元分析

簡化之后用于本文分析的主機模型如圖17所示。

圖17 主機簡化三維模型

4.1 添加材料

硫化機主機側板、底座、橫梁均采用Q345材料，根據表1的材料屬性參數完成主機的材料設置。

4.2 設置邊界條件

將硫化機主機下部與地面緊貼的面及左右主機相連接的接觸面設置為固定約束，將壓力分別添加在底座加力油缸的作用面和上橫梁的作用面上。

4.3 網格劃分

硫化機的主機框架寬度為4.6 m，總高度為6.35 m，針對大型裝配體的網格劃分方法，首先采用默認的網格剖分，盡管看起來很“疏”，但是由于采用了高階單元，基本也保證了計算結果的精度。從整體模型來看，網格單元的大小要與計算機的配置、求解精度的要求等相結合。將網格尺寸設定為30 mm，劃分完成的網格模型如圖18所示，網格數量為14 055，節點數為377 033。

圖18 主機模型網格劃分

4.4 計算結果及分析

圖19為主機受力分析結果，最大應力294 MPa出現在橫梁支撐板的開口圓角處，小于所用材料Q345的屈服強度，最大應力區域較小。圖20為主機變形位移分析結果，變形最大位移0.47 mm在精度控制允許范圍內。

圖19 主機受力結果

圖20 主機變形位移結果

5 結論

本文通過對液壓硫化機側板進行有限元分析及優化，可使硫化機的結構性能得到很大提升，并在實踐生產中得到了成功的應用；通過對該機型底座、上橫梁及主機的有限元分析，得出該機型的設計是安全可靠的。通過有限元在設計階段對硫化機結構進行分析以判定結構的可靠性，降低設計成本，可廣泛應用到硫化機設計工作中。

參考文獻：

[1]曾攀.有限元分析及應用.清華大學出版社，2004.

[2]S. 莫維尼，李繼榮.有限元分析：Ansys理論與應用(第四版).電子工業出版社，2015.

[3]李建賓.橡膠機械設計（上）.化學工業出版社，1978.