管樁端板毛坯壓焊機構設計與力學分析

金嘉琦， 李凝

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引 言

管樁用端板是預應力水泥管道的主要零部件，國內日常需求量非常大。目前，國內樁生產的公司已經達到約500多家，與管樁生產配套的端板生產企業也不斷增加，直到2011年年底，我國管樁用端板的生產公司已經接近70家[1]。在管道工程的應用中，法蘭主要是用來連接管道的。管樁端板分為法蘭板和法蘭盤兩種，都是用以連接設備的配件使用，其實際作用就是可以使設備更穩固、可靠。管樁端板毛坯件的生產基本上是應用連續軋制、卷曲螺旋成型、切割分片等具有高效率的方法生產，它的翹曲切口焊接方式極為麻煩。現如今國內很多公司使用手工焊接的傳統方法來生產管樁用端板，很難在滿足批量生產的要求同時又滿足質量的要求[2]。焊接成型后的管樁端板毛坯件還需在數控立式車床上進行車削加工。由于用量很大，而現在絕大多數企業端板的生產均為人工上下料，其勞動強度大，作業環境差[3]。為了提高生產效率，需設計一自動化生產線，由于需要自動壓焊動作，所以毛坯件的壓力分析就顯得極為重要，并且需要求得壓焊機構壓力缸輸出的力為多少，并對管樁端板毛坯件進行靜力學分析。

1 壓焊機構的設計

1.1 管樁端板壓焊工作分析

管樁端板分為法蘭板和法蘭盤兩種，都是用以連接設備的配件使用，其實際作用就是可以使設備更穩固，可靠。管樁用端板毛坯件在實際應用過程中的外徑尺寸D一般在400 ～600 mm 之間，相應的內徑尺寸d的范圍為210～330 mm,工件厚度H 大 約 為14 ～25 mm。焊接前采用鋸床加工，鋸條規格為411.32/3N，焊縫寬度L為3 mm，焊接前工件開口處上下高度h 為15～18 mm。一般切口尺寸大小不一，通常焊縫約為直線型走向[4]，如圖1、圖2所示。

圖1 端板焊縫圖

圖2 端板翹曲圖

管樁端板壓焊過程是由機械手在上料工位完成后夾取并移動到壓焊工位，放開工件后,工件靠自身重力與平臺保持固定，根據PLC自動設置節拍，機械手離開后，壓力缸開始進行下壓動作。下壓后焊槍由電動缸驅動伸出開始進行焊接動作。工作流程如圖3所示。

1.2 壓焊機構建模

圖3 壓焊流程圖

由工況分析得知毛坯壓焊機構需要帶有壓力裝置，所以在初步建立模型時可模擬出液壓缸大概位置及考慮到整個機構大概位置分布。整個機構上板長和寬分別為1000 mm、610 mm，板厚為25 mm。上板與下板距離為600 mm。下板主要尺寸為長1295 mm、寬1000 mm、高48 mm。分別添加凸臺以便裝配驅動機和工件定位。四底腳呈圓柱體狀，結構性穩定。

在初步的壓焊機構建模基礎上添加其他所需零件，導入焊槍驅動電動機的模型，并模擬出焊槍。然后導入作為夾取和定位用的機械手，機械手夾取手部受力示意圖如圖4所示。

圖4 機械手受力圖

由受力圖可得，在C點，由平衡方程可得

式中：F為驅動力；F23為桿2作用在桿3上的力。

由A點的平衡方程得

一般取F23約為4～6，F56與F23同理，由此可得

通過以上計算可知，這類機械手的最大一個優勢是機構過死點位置時會產生自鎖現象，這樣就可以充分滿足夾緊力。將機械手和焊槍裝配到一起并添加管樁端板毛坯件則得到焊接過程，如圖5所示。

圖5 壓焊機構示意圖

其中液壓缸頭部采用圓柱體施加壓力使接觸面盡量擴大防止壓強過大導致工件損壞，液壓缸位置要偏于中心，既方便給管樁端板毛坯件施加壓力，又可以給焊槍留出足夠位置以便焊槍焊接。

壓力缸施壓圓柱面受壓面積可由式（3）得出：

所以S=3.14×1600=5024 mm2。經過幾次計算后得知選擇此尺寸管樁端板毛坯件受力比較均勻。管樁端板毛坯受力表面不應過小，容易超過管樁端板毛坯件的屈服極限，使管樁端板毛坯件發生不可恢復的塑性變形，由于沒有超過其極限強度，毛坯件不會發生崩壞，毛坯材料為Q235鋼，其極限強度σb規定在373～461 MPa，但由于發生了塑性變形也被視為是失效的，Q235屈服極限在216～235 MPa之間。圓柱面也沒必要過于大，因為超過毛坯件表面后對毛坯件受力影響不是很大，這樣既浪費材料又增加了工作量。

2 管樁端板毛坯力學分析

2.1 管樁端板毛坯件受力分析

管樁端板毛坯焊接時壓力缸下壓過程共分為三個步驟：第一步為壓力缸圓柱剛與毛坯件接觸，此時管樁端板毛坯件不受任何壓力且無任何變形，當壓力機繼續施壓時進入第二個階段（即管樁端板毛坯件受壓力并且為彈性壓縮變形階段），管樁端板毛坯件在壓力缸的壓力作用下受到壓縮, 并且隨著管樁端板毛坯的變形越大其彈性力越大。在一般情況下，管樁端板毛坯件只受壓力缸所施加的壓力，所以此過程中管樁端板毛坯件并無轉動現象發生。第三階段為管樁端板毛坯類似彈簧完全壓縮的情況，此時彈性變形量達到最大值，管樁端板毛坯部分下表面與凸臺發生緊密接觸。

由于管樁端板毛坯受壓力形式與矩形彈簧受壓形式高度類似，這里可將管樁端板毛坯件看做工作圈數為1的矩形彈簧受壓力，其中彈簧切應力τ計算公式及變形量F的計算公式為彈簧設計的原始公式即：

式中：n為工作圈數；P為彈簧軸向負荷，N；D2為彈簧中徑，mm；G為切變模量，MPa；Ip為極慣性矩，mm4。

因為管樁端板毛坯其橫截面為矩形，在發生變形后截面已不再繼續為平面，這種現象稱為翹曲現象，所以不適合平面假設，故需要應用彈性力學的知識來求解[5]，所以經過推導后的最大切應力和變形量公式分別為：

式中，γ和β計算方法可由式（8）、式（9）計算得出：

式中:a為管樁端板毛坯截面的長;b為管樁端板毛坯件截面的寬。

為了求極限值所取尺寸較大，在這里我們取管樁端板毛坯件外徑為500 mm，內徑為300 mm，厚度為25 mm，因為一般翹曲高度為15 mm，所以位移量F取15 mm，其中n即為1，管樁端板毛坯切變模量為80 GPa，經過計算后得出所需壓力P約為11 511.54 N，最大切應力τ為151.77 MPa。經查閱文獻得知Q235鋼許用剪切應力為0.8倍的屈服極限所以計算后約為180 MPa，故毛坯件在受壓力為P 時，不會被剪壞。

2.2 有限元模型的建立

管樁端板毛坯件模型的分析中可以應用接觸單元分析,這樣能非常準確地求解變形和應力之間的關系。彈性力學作為有限元靜力學分析的理論基礎, 其本質是固體力學, 但是彈性力學更優于材料力學的原因是研究對象的普遍性, 由于方法和結果都具有更高的可信度和可靠度,使其成為廣泛應用的分析方法[6]。隨著計算機科學與技術的迅猛發展，有限元法已成為計算機輔助設計和計算機輔助制造的重要組成部分。ANSYS 既含有簡單的線性分析功能又可以處理復雜的非線性分析，這使得它成為一個功能強大的軟件，并被使用在各個領域，比如結構的設計和分析，以及零件的分析和方法的優化[7]。

本文采用ANSYS Workbench有限元模擬軟件對管樁端板毛坯件進行受力仿真，在SolidWorks中建立外徑尺寸為500 mm，內徑尺寸300 mm,工件厚度為25 mm，開口高度15 mm的毛坯件三維模型，添加底面凸臺后另存為“x_t”文件，然后將此文件無偏差的導入到ANSYS Workbench中添加毛坯件材料屬性如表1所示。

表1 管樁端板毛坯材料屬性

本文中由于不考慮受重力以外的受力和變形的情況，并且為了使仿真更加貼近實際得出的結果更為可靠，在仿真實驗中對模型單元劃分處理使用的是SOLID92號實體單元。SOLID92單元是四面體單元,共有10個節點[8]。此單元不但在模擬曲面邊界的方向上具有很好優勢,而且又因為節點數少,可以節省大量的系統資源，有效地減少計算時間增加仿真的真實性和可信賴性，即使計算結果產生誤差也是非常微小并且在誤差允許的范圍之內，可以忽略不計。

對管樁端板毛坯件進行網格劃分。網格劃分越密集計算精度越高，但網格尺寸到達一定程度后分析結果發生的改變微小，而且由于計算機系統限制，考慮計算資源大小，本次仿真選用網格尺寸大小為5 mm，共含有31 698個單元，產生了75 490個節點，網格過渡平滑，無畸變網格，網格質量較高，滿足數值計算模型的要求。其中包括了含凸臺在內的網格劃分，劃分后如圖6所示，其中含有工件劃分網格后的剖切視圖，可清晰看出網格單元與SOL92模型視圖基本一致。

圖6 網格劃分

2.3 施加載荷與邊界條件

由于工件受壓只為上部壓力缸所給，故工件受力只有一個壓力，但由于壓力我們未知，即所求的毛坯件壓平的力。毛坯件翹曲高度一般是15 mm，所以這里我們應用ANSYS Workbench中施加強制位移的方法將受壓表面向下施加15 mm的位移，然后將施加的位移轉換為所受的壓力。

工件受壓時由于自身下表面與平臺的摩擦使其產生固定，為了讓管樁端板毛坯件受壓時仿真效果更加明顯和可靠，在仿真分析中添加了壓焊機構中的凸臺和零件間的接觸，ANSYS Workbench中接觸方式共有5種：綁定接觸（Bonded）、不分離接觸（No Separation）、無摩擦接觸（Frictionless）、粗糙度接觸（Rough）、摩擦接觸（Frictional）。因為管樁端板毛坯受壓時切向不會發生位移，法向也不會發生滲透所以為了節省電腦資源這里選用綁定接觸，無相對位移，接觸面共用節點。然后在凸臺的底面添加固定約束使兩個零件固定。

圖7（b）中黃色部分為壓力缸向下施加力的范圍，圖7（c）中墊臺底部紫色部分為施加的固定載荷面，在ANSYS Workbench軟件中將力與位移相互轉換，讓黃色受力部分（實際為翹曲）與另一端接近水平即視為壓平，其中模擬高度為15 mm，在ANSYS Workbench中分析后，可以將這15 mm位移量轉換為管樁端板毛坯件實際所受的壓力。

圖7 邊界條件的設定

2.4 結果分析

經過ANSYS Workbench計算分析后，得出管樁端板毛坯翹曲部分壓平所需要的力為11 548 N，理論計算結果為11 511.54 N，與毛坯力學理論計算有些許偏差，但由于仿真中接觸條件和模型的理想化建立及一些不可避免的條件誤差存在，所導致的結果誤差是可忽略的。由圖8看出，管樁端板毛坯翹曲處位移變形量約為15.29 mm，實際需要的高度為15 mm，與實際所需要的位移變形差異不大，位移變形最大的部分是在端板所受壓力部分，然后逐漸變小。

圖9為管樁端板毛坯件受力后應力云圖，由云圖我們可以清晰得到其等效應力最大值為196.86 MPa，經查文獻得知Q235鋼的屈服極限為235 MPa，所以毛坯在受到此結果的力后不會發生失效，輸出管樁端板毛坯件受到的剪切力云圖，經過整理發現其最大剪切力在中部位置，方向與最小剪切力相反，但所取值為絕對值，故最大剪切力為152.85 MPa,與理論計算的結果151.77 MPa對比相差不大，同樣在許用剪切應力范圍之內。

圖8 力和變形量

圖9 應力云圖

3 結 語

為了提高生產效率，減小工人勞動強度，本文基于企業的需要，對管樁用端板毛坯自動化焊接生產線中壓焊機構進行設計，得到了管樁端板焊接的模型，實現了管樁端板上料后壓平和焊接的動作，證明了機械手的抓取力是可靠的，并對管樁端板毛坯件進行靜力學分析，求出了其壓平焊接的所需力大小。通過與管樁端板毛坯件受力的理論計算相對比及材料力學性能相結合分析，得到了最終結果。使管樁端板自動焊接生產線能順利設計完成，提高管樁端板毛坯件自動化焊接生產效率，并為企業節省了時間和成本。