軸類零件壓力校直機機體結構分析與優化

郝建軍， 何青松， 李俊， 杜宗順， 廖剛

(重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054)

軸類零件壓力校直機機體結構分析與優化

郝建軍， 何青松， 李俊， 杜宗順， 廖剛

(重慶理工大學機械工程學院，重慶 400054)

以某型號軸類零件壓力校直機機體為研究對象，用SolidWorks軟件建立軸類零件壓力校直機主機機體的三維結構模型，并將校直機機體的三維模型導入ANSYS Workbench軟件。應用該有限元分析軟件對機體在極限工況下進行靜力學分析，根據壓力校直機機體的靜力學分析結果可知，機體的剛度滿足要求，但是強度已經超出了安全應用，需要對機體結構進行優化設計。重新設計的壓力校直機機體剛度和強度已經滿足要求，但是結構中存在質量冗余部分，為了滿足使校直機輕量化的要求，需要對機體的形狀進行合理的改進。優化和改進前后分析結果對比說明：經過優化設計后機體的質量減少22.3%，機體的強度和剛度明顯加強。

校直機機體；靜力學；優化設計；改進

0 引 言

軸類零件是機械類產品中廣泛應用的重要零部件，由于熱處理及其它制造工藝導致零件軸心線發生彎曲變形。壓力校直法是目前廣泛采用的一種校直軸類零件的方法[1]。其原理是將待校的軸類零件支承在工作臺的兩個活動支點之間，用壓頭對軸類零件的彎曲位置處進行反向壓彎[2]。當壓頭撤回后軸類零件的壓彎量與彈復量相等時，該軸類零件就得到了校直[3]。

由于壓力校直機在校直軸類零件的過程中，機體承受著電動機驅動壓頭而產生的校直力的作用。如果機體結構設計不合理，機體會產生變形和疲勞斷裂，甚至造成安全生產事故[4]。因而在壓力校直機主機機體制造前，需要對其結構強度和剛度進行校核。在實際生產中，由于需要控制成本和易于搬運，故還需要對校直機機體進行輕量化設計。

1 機體有限元分析模型的建立

由于在校直軸類零件的過程中校直機機體為重要承力機構，因此需要對壓力校直機機體結構的強度和剛度進行校核，判定機體的結構設計是否滿足生產要求[5]。因為壓力校直機主機機體的結構形式較為復雜，采用傳統的力學分析方法無法快速而準確地分析出主機的結構強度和剛度。采用有限元分析方法能夠快速、準確地對機體結構強度和剛度進行校對，并對其結構進行優化設計。使壓力矯直機主機機體在整個設計過程中實現對主機的強度、剛度的全程監控，從而縮短生產周期，降低開發成本[6]。

1.1 壓力校直機主機機體的三維模型建立

采用SolidWorks三維模型設計軟件設計軸類零件壓力校直機主機機體的三維模型。然后直接將三維模型導入到ANSYS Workbench中，實現了由CAD到CAE間的雙向參數傳輸，從而實現了壓力校直機機體結構設計與仿真的同步協同[7]。軸類零件壓力校直機主機機體的三維結構模型如圖1所示。

1.2 壓力校直機主機機體有限元分析準備

為了使用有限元軟件快速、準確地對壓力校直機機體進行結構分析，需要對機體的結構做出如下假設：壓力校直機機體是焊接結構，并且假定壓力校直機機體的焊接質量可靠；機體材料是各向同性的，且整體密度分布均勻。

圖1 壓力校直機主機機體三維模型

1.2.1 機體的網格劃分

模型結構的網格劃分是有限元分析前期處理中的主要工作，ANSYS Workbench的網格劃分處理功能可以對復雜的幾何模型進行高質量的網格劃分處理[8]，由于壓力校直機機體的結構設計十分復雜，于是采用Workbench自動劃分網格功能，在Workbench中自動網格劃分一般不需要選取單元類，然而網格劃的太密則影響計算進度，而過于稀疏則仿真結果不太準確。于是使用相關度中心Relevance Center控制網格疏密程度。設置相關中心度為100，Element Size為20 mm其節點數為97 039，單元個數為53 357,經檢查網格劃分質量經檢查較好。網格劃分模型如圖2所示。

1.2.2 機體的約束和載荷處理

主機機體底板與地腳螺栓固定，因此可以看做主機底板全部約束。壓力校直機工作的極限載荷為100 kN。在電動機的驅動下壓頭下壓，主機機體承力板上兩個板受力，其反作用力由聯接主機機體與法蘭的螺栓孔承受，如圖3所示。

圖2 機體網格劃分模型

2 機體的強度和剛度分析

主機機體強度如圖4所示，應力主要集中在聯接主機機體與法蘭的螺栓孔處，最大應力為254.06 MPa。由于主機機體所使用的材料為45鋼，其屈服極限為355 MPa。取安全系數為1.5，則許用應力為236 MPa。機體已不滿足強度要求，因此需要對機體進行優化設計。

圖3 壓力校直機機的載荷和約束

圖4 壓力校直機機體強度分布圖

圖5 壓力校直機機體剛度分布圖

主機機體剛度如圖5所示，最大變形出現在6個螺栓孔所組成的圓周范圍內，其最大變形為0.664 46 mm，滿足設計要求[10]。

3 機體結構尺寸的優化設計

3.1 優化設計基本原理

構建需要優化設計的模型，可以通過不同的優化設計方法，在滿足所需要的結構設計要求的條件進行下迭代計算，求出優化所需要的目標函數極值，從而得到最優化的結構設計方案[11]。因此結構優化設計的數學模型可表示為：

式中：F(X)為結構優化設計變量的目標函數；X為需要設計的變量；gi(X)為設計結構的狀態變量。

設計變量就是自變量，通過改變自變量的值來獲取結構優化設計的結果。由于每一個自變量有自己的取值范圍，因此必須規定設計變量xn的最大值以及最小值。狀態變量是對機構設計進行約束的數值，因此它是結構設計變量的函數，狀態變量的取值范圍可能會有上下限，但是也可能只存在單方面范圍的限制，即只存在上限值或者只存在下限值。目標函數是結構優化設計要求盡量小的數值，并且它也必須是結構優化設計變量的函數。

3.2 優化設計變量和目標函數

圖6 螺紋孔尺寸和聯接板厚度對機體最大變形和最大應力的敏感度

圖7 螺紋孔大小、聯接板厚度與機體最大變形關系

圖8 螺紋孔大小、聯接板厚度與機體最大應力關系

由壓力校直機機體的有限元靜力學分析可知，螺紋孔和螺紋孔聯接板處機體承受著最大的應力和應變。其他處的應力應變都在安全范圍內，因此需要對此處進行尺寸的優化設計。將螺紋孔尺寸和連接板厚度作為設計變量，機體的最大變形和最大應力為目標函數。

首先通過運用ANSYS Workbench軟件模擬壓頭施加最大壓力的工況下，分析螺紋孔尺寸和連接板厚度對機體最大變形和最大應力的影響程度[12]，如圖6所示。

連接處螺紋孔的大小和連接處板的厚度與機體的最大變形以及最大應力的關系如圖7、圖8所示。

表1 設計變量和目標函數表

通過分析可知，對機體最大變形和最大應力影響較大的是聯接板的厚度。通過優化設計尋找最優值，找到合適的螺紋孔大小以及聯接板的厚度，從而減小機體承受的最大變形和最大應力[13]。

經ANSYS Workbench分析可以得出如表1所示的設計變量和目標函數表。

綜合所有校直機機體結構設計的因素分析，選擇螺紋孔的大小12 mm和聯接板的厚度35 mm為最佳值，其它結構數值不變。

4 機體結構形狀的優化設計

4.1 形狀優化設計

由壓力校直機機體的靜力學分析可知，機體結構中大部分有較高的安全系數，說明了機構設計較為保守，需要對機體進行輕量化設計。確保機身的總體結構尺寸不變，然后使其整體體積盡量變小，查找對機身結構剛度和強度不會產生負面影響的可以去除的部分結構。最終目的是優化結構，從而減輕壓力校直機機體的重量[14]。主要采用ANSYS Workbench中Shape Finder模塊對校直機機身板的材料分布進行形狀優化分析。

4.2 機體的形狀優化設計分析

圖9 機體材料去除20%

圖10 機體材料去除30%

采用極限工況條件下選擇已經進行了結構尺寸優化設計的校直機機體分析，材料選擇、網格劃分、邊界條件、約束情況和靜力學分析一致。

材料的添加與去除需要考慮較多的因素，材料的去除方法可以采用對壓力校直機機身進行Shape Optimization分析，對形狀優化目標Target Reduction分別設置為20%、30%，如圖9和圖10。

所示紅色部分表示可去除面積，棕色代表邊緣材質，灰色表示可保留的部分，以此找出共同去除掉的部分[15]。

圖11 優化后校直機機體

圖12 優化后校直機機體強度

圖13 優化后校直機機體剛度

表2 不同優化結果后分析對比

根據分析，金屬板材重新分布后的壓力校直機機體如圖13所示。

優化后校直機機體的強度和剛度如圖14和圖15所示。

優化結果對比分析如表2所示。

根據表2所示內容分析可知：尺寸優化后，機體能達到校直所需要的強度和剛度，但是由于增加了聯接板的厚度，機體重量增加；形狀優化后，校直機機體的重量有明顯減少，更為重要的是校直機機體強度和剛度也有所加強，達到了優化設計效果。

5 結論

通過ANSYS Workbench有限元軟件分析出影響校直機機體最大變形和最大應力的因素是螺紋孔大小和聯接板的厚度。通過優化設計找出螺紋孔大小和機體厚度的最優值，機體其它結構對其強度和剛度影響較小，屬于可去除部分。通過形狀優化設計找出可去除部分，從而設計出滿足要求的校直機機體。

由于校直機工作的壓頭用電動機驅動，并且壓頭的連續校直對機體也產生了振動，因此還需對機體做動態特性分析，機體結構還需要進行進一步設計。

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Optimization and Analysis on Body Structure of Shaft Parts Straightening Machine

HAO Jianjun,HE Qingsong,LI Jun,DU Zongshun,LIAO Gang
(School ofMechanical Engineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

This paper uses the SolidWorks software to build the three-dimensional model of the host body of the shaft straightening machine,and introduces the 3D model of the machine body into the ANSYS Workbench software.The finite element analysis software is used to analyze the body under the limit condition.The static analysis of the body of the pressure straightening machine shows that the stiffness of the body can meet the requirements,but the strength is beyond the safety application,so it is necessary to optimize the structure of the body.Stiffness and strength of redesigned pressure straightening machine body can meet the requirements,but its structure has weight redundancy.In order to achieve the standardization of straightening machine,the body shape needs to be improved.The results show that the quality of the body is reduced by 22.3%after optimization,and the strength and rigidity of the body are obviously strengthened.

straightening machine body;static mechanics;optimal design;improvement

TG 501

A

1002－2333（2018）01－0080－04

重慶市教育委員會資助項目(KJZH17127)

（編輯黃 荻）

郝建軍(1962—),男，碩士生導師，教授，主要研究領域為機械電子工程；

何青松(1991—),男，碩士研究生，主要研究方向為機械電子。

2017-04-10