鋼覆面矯形工裝上矯形架結構優化分析

王倉平

（中國核工業二三建設有限公司，北京 100000）

核環保項目的鋼覆面包含熱室鋼覆面、設備室鋼覆面和不銹鋼水池覆面。鋼覆面的加工具有施工體量大、焊接點多、土建安裝深度交叉施工作業等特點[1]。根據設計技術要求，鋼覆面安裝要先制作焊接龍骨，由焊接龍骨支撐鋼覆面板材，鋼覆面的支架龍骨焊接點多，焊接由于受局部熱點影響，大尺寸焊接極易出現扭曲變形和波浪變形，受焊縫布局不規則，焊接變形難以控制，大尺寸預埋龍骨焊接矯形，在行業內的焊接件安裝施工作業中都屬難點。為保證施工進度，方便現場使用，項目部研發了鋼覆面施工專用矯形工裝。矯形工裝的結構如圖1所示。其中上矯形架對整個矯形工裝起著至關重要的作用。但由于上矯形架橫梁跨度大，在施工過程中附加載荷時會產生變形，影響矯形件的最終矯形結果。因此很有必要對上矯形架進行有限元分析，對其結構進行優化設計。

圖1 矯形工裝結構示意圖

矯形工裝的上矯形架為橫梁結構，羅傳林[2]等人對龍門式機床橫梁的板筋結構形式、截面形狀、導軌分布形式作了研究分析，用有限元分析方法，對不同截面形狀的橫梁在特定方向的剛度大小進行了分析對比。郭鐵能等[3]建立了橫梁力學模型和有限元數學模型，采用ADAMS 和ANSYS 進行了仿真研究，定量地得到橫梁各導軌面承載時的變形。通過對仿真數據的分析，確定了橫梁導軌面變形的承載曲線和曲線方程；許丹等[4]采用機械系統多剛體動力學仿真軟件ADAMS 和有限元分析軟件ANSYS對橫梁進行了靜動態特性分析，計算出考慮重力和切削力作用下橫梁部件的靜態變形，以及通過動態測試和參數辨識方法，獲得導軌結合面特性參數。最終經過模態分析得到系統固有頻率和各階振型圖；侯紅玲等[5]利用有限元分析軟件ANSYS 在材料和截面空間尺寸相似的情況下，對截面形狀不同的幾種結構的梁進行靜力和模態分析，將強度較好的梁，用模態分析得到剛度更好的梁。通過結構的變形和一階頻率的振型研究比較，最終確定了較為合理的橫梁結構。

通過文獻可以看出，橫梁的應力分布、形變位移等情況對工裝的整體精度和性能有著很大的影響，對矯形工裝的上矯形架橫梁進行有限元分析及優化設計顯得尤為重要。本文通過對研發的矯形工裝上矯形架進行有限元分析和優化設計，以提高矯形工裝的作業精度。

1 矯形工裝上矯形架模型簡介

上矯形架的結構和受力時的形變量對工裝整體矯形精度有很大的影響。如圖2 所示，上矯形架分別由兩側的腳柱和上部的橫梁，以及附屬構件千斤頂、用于連接千斤頂和橫梁的支架板和有安裝在腳柱上的行走機構組成，橫梁材料為工字鋼。

圖2 上矯形架結構示意圖

為分析橫梁的應力分布和承受載荷時的應力分布情況，我們選取橫梁、腳柱和支架板受力部分為研究對象。建立如圖3 所示的坐標系,其中橫梁長為l，千斤頂和支架板上裝有滾輪可在橫梁上來回移動以保證加工需求。千斤頂安裝位置即為載荷施加位置，我們分別選取橫梁的2 等分點、3 等分點和4 等分點進行計算。施加總力為7000N。

圖3 選取的研究模型

橫梁和腳柱材料為Q345B。材料力學特性參數見表1。

表1 材料特性參數

2 數值模型建立

2.1 上矯形架的有限元模型

對Solidworks 建立的上矯形架三維模型進行網格劃分，并設置其材料屬性和邊界載荷。最小單元尺寸為3mm，2 等分點模型、3 等分點模型和4 等分點模型到達離散模型的單元數分別為2175771、2187137 和2185661。以2 等分點模型為例，離散后的上矯形架有限元模型如圖4 所示。

圖4 吊裝梁有限元模型

2.2 有限元模型約束條件

根據實際約束情況，邊界條件設置如下：

1）兩腳柱底端設置為固定約束；

2）支架板下底面設置有垂直向上且均勻分布的載荷，總力大小為7000N。即f2=-7000N，且2 等分點模型僅中間位置設置有一個受力點，3 等分點和4等分點模型中分別布置有兩個受力點。

3 計算結果

3.1 上矯形架應力分析

上矯形架的等效應力分布和形變量分別如圖5所示。變形位移量按照100 倍放大顯示。

圖5 各模型應力分布（單位：Pa）

計算得當附加載荷f2=-7000N 時，2 等分點、3等分點和4 等分點各模型的最大等效應力值分別為302MPa、266MPa 和226MPa，滿足材料的屈服強度。從圖5 可以看出最大等效應力發生在橫梁與腳注連接部分，橫梁的最大等效應力發生在橫梁的中間位置。且施加的載荷越靠近橫梁兩端，最大等效應力越小。特別是當受力點處于橫梁中間部位時，最大等效應力302MPa 接近材料屈服強度，對矯形件進行矯形作業時，當施加的力大于7000N 則最大等效應力很有可能超過材料的屈服極限。應此，在矯形工裝矯形作業時應最大可能的避免載荷集中分布在橫梁中間位置。

3.2 上矯形架變形分析

上矯形架橫梁各處的形變量如圖6 所示。

圖6 各模型橫梁各處形變量

從圖5 可以看出當附加載荷f2=-7000N 時，2等分點、3 等分點和4 等分點各模型的最大形變量分別為3.16mm、2.63mm 和2.1mm，各模型的最大形變量均位于橫梁中點處。結合應力分析，有必要對上矯形架結構進行優化，以提高矯形工裝可靠性和作業精度。

4 上矯形架優化分析

4.1 模型優化

為滿足上矯形架作業精度和可靠性，對上矯形架進行優化設計，以3 等分點受力為例，優化后的模型如圖7 所示。

圖7 優化模型示意圖

4.2 優化模型計算結果

對優化后的模型進行網格劃分，再進行數值計算，約束條件和邊界條件設置與2.2 一節所述相同。計算得應力分布和橫梁各處位移結果分別如圖8、圖9 所示。

圖8 各模型應力分布（單位：Pa）

圖9 橫梁各處形變量

對優化模型計算得當附加載荷f2=-7000N 時，2等分點模型、3 等分點模型和4 等分點模型各自最大等效應力值分別為3.15MPa、50MPa 和46MPa，三者均滿足材料的屈服強度。相比優化前，各模型最大等效應力分別減小了98.96%、81.2%和79.64%，相同載荷下的應力優化效果明顯。2 等分點、3 等分點和4 等分點各模型的最大形變量分別為0.02mm、0.32mm 和0.26mm，各模型的最大形變量均位于橫梁中間段，相比優化前分別減小了99.37%、87.83%和87.61%。大幅度提高了矯形工裝的作業精度。

5 結論

本文通過對矯形工裝的上矯形架進行數值模擬，得到了上矯形架施加載荷f2=-7000N 時的等效應力分布情況和應變情況。在數值結果的基礎上對原有的矯形工裝進行了優化設計，并對優化后的上矯形架進行數值分析，最終結果如下：

1）優化前，上矯形架施加載荷f2=-7000N 時，各模型最大等效應力均位于橫梁與腳柱連接處，橫梁上的最大應力位于橫梁重點處，且最大等效應力都滿足材料屈服強度。且施加的力越靠近橫梁兩端，最大等效應力越小。

2）當在上矯形架的中間位置施加7000N 的載荷時，最大等效應力接近材料屈服強度。作業時在滿足作業要求的前提下應避免此類情況發生。

3）上矯形架的優化效果明顯，2 等分點模型、3等分點模型和4 等分點模型的最大等效應力分別減小了98.96%、81.2%和79.64%。在作業時，優化后的矯形工裝可承受更大的載荷。

4）優化后的2 等分點模型、3 等分點模型和4等分點模型的最大形變位于分別減小了99.37%、87.83%和87.61%，比結構優化前，相同載荷下，橫梁的應變減小，有助于提高作業精度。