機械式輪胎硫化機結(jié)構(gòu)有限元分析

張正羅，張功達，于曉東

(1.華澳輪胎設(shè)備科技（蘇州）股份有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

汽車工業(yè)和輪胎工業(yè)的快速發(fā)展對輪胎的性能提出了越來越高的要求[1]。因此對輪胎生產(chǎn)用高性能設(shè)備的研發(fā)已成為目前的熱點問題之一。硫化機是輪胎制造的關(guān)鍵設(shè)備之一,直接影響成品輪胎的質(zhì)量和性能[2]。在輪胎硫化機設(shè)計過程中需要經(jīng)過精密復(fù)雜的計算，傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在工作效率低、試錯成本高等問題。有限元仿真分析的應(yīng)用, 很大程度上減少了產(chǎn)品設(shè)計過程中，企業(yè)的人力、物力、以及資金的消耗[3]。

2008年，孫凱等人利用Ansys軟件對電動螺旋輪胎定型硫化機橫梁結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，節(jié)省了23.5%的材料[4]。2013年，劉才生利用I-DEAS軟件對巨型工程輪胎硫化機的底座強度、剛度進行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果確定最大應(yīng)力位置，通過改變板厚以及一些關(guān)鍵尺寸完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了整機結(jié)構(gòu)的合理性和強度水平[5]。2018年，馬金妮等人利用Ansys Workbench軟件對側(cè)板式全鋼液壓硫化機結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果對側(cè)板鎖定結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高了硫化機的整體工作性能[6]。

Ansys是目前市場上使用最為廣泛的大型通用有限元分析軟件, 它能與CAD、SolidWorks等機械設(shè)計軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換, 現(xiàn)已成為機械工程領(lǐng)域中最有影響力的仿真應(yīng)用軟件之一[7]。本次新開發(fā)的機械式輪胎硫化機產(chǎn)品采用Ansys軟件進行有限元計算分析，研究硫化機在實際工況下各部件變形及應(yīng)力分布，檢測各部件變形及應(yīng)力極限是否符合安全標準，驗證硫化機結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 有限元分析模型導(dǎo)入與分析

1.1 模型簡化

機械式輪胎硫化機零部件多，為了便于計算，節(jié)省計算時間，根據(jù)機械式輪胎硫化機實際工況要求，對幾何模型的局部特征進行簡化。在簡化過程中，忽略對結(jié)構(gòu)強度影響小的部件，在不影響強度、剛度的前提下，刪除細小特征，進行孔洞填補。簡化后模型如圖1所示。

圖1 硫化機模型簡化圖

1.2 硫化機各部件材料選用

在設(shè)計過程中根據(jù)機械式輪胎硫化機實際工況，硫化機不同部件選用相應(yīng)的工程材料。核心結(jié)構(gòu)件選用的材料及其參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

1.3 接觸條件設(shè)定

根據(jù)機械式輪胎硫化機實際工況，硫化機主體結(jié)構(gòu)采用Bonded連接。對于可能出現(xiàn)相對運動的位置，采用Frictional接觸方式，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.2。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分方式，對易出現(xiàn)高應(yīng)力的區(qū)域以及具有細小特征的部件做網(wǎng)格細化處理。共劃分的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為541 365個，單元數(shù)為282 999個。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 硫化機整體網(wǎng)格劃分圖

1.5 載荷設(shè)置與邊界條件定義

載荷大小、施加位置以及邊界條件根據(jù)硫化過程中的工藝參數(shù)進行設(shè)定。硫化過程中上、下硫化室組成的腔體內(nèi)需充入0.93 MPa的蒸汽，因此在托板上、下表面，上、下蒸汽室本體內(nèi)表面四個面上施加0.93 MPa的壓力。根據(jù)合模力要求，在托板筋板下表面和下蒸汽室本體筋板上表面施加6 500 kN的作用力。除此之外，對所有部件施加重力載荷，底部支撐面的自由度施加全約束。施加載荷和邊界條件的模型如圖3所示。

圖3 模型載荷及邊界條件定義圖

2 結(jié)果分析

機械式輪胎硫化機整機的變形及應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)硫化機最大變形量為6.014 6 mm，最大變形區(qū)域位于上蒸汽室；最大應(yīng)力為386.48 MPa，最大應(yīng)力位置位于曲柄齒輪區(qū)域，最大變形量未超過硫化機設(shè)計許用標準，同時最大應(yīng)力值遠低于曲柄齒輪材料屈服強度。

橫梁、底座、下軸套、托板、上、下蒸汽室本體是機械式硫化機的重要組成部分，也是核心受力部件，為了進一步分析整機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，判斷容易出現(xiàn)失效的部位，選取關(guān)鍵零部件進行工作狀態(tài)下的應(yīng)力分析。如圖5所示，橫梁處最大應(yīng)力位置位于頂面孔內(nèi)壁區(qū)域，最大應(yīng)力值遠低于材料屈服強度，橫梁為安全部件。底座應(yīng)力集中位置位于底座與曲柄齒輪接觸區(qū)域，同時底座中心肋板處出現(xiàn)應(yīng)力集中，但應(yīng)力值普遍較小，底座最大應(yīng)力值低于材料屈服強度，底座為安全部件。托板處應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力位置位于小孔區(qū)域，最大應(yīng)力值低于材料屈服強度，托板為安全部件。連桿下軸套最大應(yīng)力位置位于軸套內(nèi)壁與連桿接觸區(qū)域，最大應(yīng)力值遠低于材料屈服強度，下軸套為安全部件。上、下蒸汽室本體應(yīng)力分布較為均為，上蒸汽室本體最大應(yīng)力位置位于內(nèi)表面孔洞邊緣區(qū)域，下蒸汽室本體最大應(yīng)力位置位于內(nèi)表面邊緣輪廓區(qū)域，上、下蒸汽室本體最大應(yīng)力值皆低于材料屈服強度，上、下蒸汽室本體為安全部件。

圖4 整機變形及應(yīng)力云圖

圖5 硫化機關(guān)鍵零部件應(yīng)力云圖

機械式輪胎硫化機各部件變形、應(yīng)力值如表2所示，各部件最大變形量皆符合硫化機設(shè)計許用標準，最大應(yīng)力值皆低于材料屈服強度。各部件有限元仿真后的變形、應(yīng)力結(jié)果如表2所示。

表2 硫化機各部件變形、應(yīng)力結(jié)果表

3 結(jié)論

根據(jù)機械式輪胎硫化機實際工況要求對硫化機分析模型進行結(jié)構(gòu)簡化，通過Ansys軟件對硫化機進行有限元仿真計算，結(jié)果表明機械式輪胎硫化機工作狀態(tài)下各部件變形皆符合許用標準，各部件應(yīng)力皆低于材料屈服強度，結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選用符合安全標準，硫化機設(shè)計能勝任實際工況需求。本文闡述了對硫化機結(jié)構(gòu)有限元分析的步驟，為硫化機有限元仿真分析提供了一種可行的思路，為機械式輪胎硫化機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、投產(chǎn)提供了理論支持。