一種半封閉框架結構基準面變形分析及優化

郭召

西安大醫集團股份有限公司 陜西西安 710000

1 序言

在一種半封閉框架結構件設計中，為實現大剛度比，采用了鏤空的桁架式結構。第一批次投產兩件，精加工完畢后進行三坐標檢測，基準面A共面度要求0.05CZ，其中一件達標，另一件實測0.475mm，超差0.425mm，返修后實測0.196mm，超差0.146mm，仍未合格。本文對超差原因進行追溯分析，通過有限元仿真對判斷進行分析驗證，為生產實踐提供了一種解決類似問題的思路，為該類結構件的設計優化及工藝優化提供了參考。

2 半封閉框架結構的測量及數據分析

半封閉框架采用焊接結構，整體結構如圖1所示。長度2180mm，寬度490mm，最大高度463mm，重量約200kg。工件頂部有一對MV導軌的安裝結合基準面A，由兩段組成，分別記為A1面和A2面。在A1面和A2面分別采集11個數據點，測量時工件側立放置，按圖2所示測量點進行數據采集。

圖1 半封閉框架結構

圖2 測量點位置示意

為進一步分析基準面A中A1面和A2面的相對變形趨勢，獲取了所有測量點相對理論正確值的變化量，每根導軌面上分別采集11個測量點，間隔210mm，22個測量點的變形量數據見表1。

圖3 導軌安裝基準面變形趨勢擬合

表1 測量點相對理論基準變形量 （單位：mm）

對22個測量點進行數據擬合，相對變形趨勢如圖3所示，兩個要求共面的基準面A1和A2變化趨勢相反，整體呈剪叉狀趨勢。

3 變形原因及仿真分析

根據變形趨勢，初步判斷是由于起吊時未嚴格按照設計吊點進行吊裝，采用了兩個吊點起吊的方式，導致結構件在自重作用下發生扭曲。對結構件進行簡化，去除小螺紋孔及小倒角，建立有限元模型，共計43282個單元，90049個節點，結構件材料屬性見表2，建立的有限元模型如圖4所示。

表2 結構件材料屬性

圖4 有限元模型

模擬對角吊裝進行有限元仿真分析，對結構件上4個吊裝孔中呈對角的一對起吊孔施加固定約束，對結構件施加重力載荷，進行變形及應力分布求解。通過圖5的變形云圖可以觀察到在兩點起吊狀態下，最大變形位于對角處，最大變形量達到0.517mm。施加4個吊點約束，進行對比分析，通過圖6的變形云圖可以觀察到變形區域均勻，最大變形量0.025mm，變形量約減小為原來的1/20。由此可見，起吊位置對此類結構件變形量的影響非常重要。

圖5 對角起吊的變形云圖

圖6 四吊點起吊的變形云圖

進一步分析對角起吊狀態下導軌面A1和A2沿重力方向的變形量，僅顯示安裝面表面特征。為便于觀察趨勢，按5:1的比例進行顯示，變形趨勢如圖7所示，整體呈剪叉趨勢，這一點和實測數據吻合，證明了判斷的正確性。

圖7 導軌安裝面變形趨勢

4 改進思路

為避免后續出現同類問題，一方面在工藝文件中明確起吊方式，并對操作人員進行培訓，要求嚴格按照設計的吊點進行吊裝作業；另一方面從設計的角度考慮進行結構優化，提升吊裝剛度。通過對數據進行分析，薄弱環節在結構件的開口位置，在不影響相鄰件運動空間及安裝空間的基礎上，在開口位置增加φ30mm連接桿，將兩側壁板進行連接，構成一個閉合體，其中連桿位置盡可能靠近吊裝點位置，以實現載荷的最優傳遞路徑，優化后的模型如圖8所示。按照前述兩吊點對角起吊的方法進行有限元計算，變形云圖如圖9所示。在增加5根φ30mm連桿后，最大變形量由0.517mm減小至0.289mm，變形量減小約50%，證明了改進方向是正確的。

圖8 優化后的模型

圖9 增加連桿后對角起吊變形云圖

5 結束語

對類似半封閉鏤空結構件，其穩定承載滿足使用要求，但吊裝剛度不足。因此，在加工運輸及裝配過程中，需要嚴格控制起吊方式，避免結構件因承受過大扭曲載荷而產生變形。對結構進行設計改進，提高封閉性，可以提高整體剛度及吊裝剛度。