基于ANSYS的重型框架式制管成型機主機分析與優化

蔣文凱

（天水鍛壓機床（集團）有限公司,甘肅 天水 741020）

1 引言

隨著輸電、通信、基建打樁、大型鋼結構建筑、風電、石油輸氣管道等行業發展，對折彎機品種、規格要求不斷提高。近年來液壓板料折彎機向大噸位（6000t 以上）、多缸（4 缸以上），超長（工作臺長達13m 以上）方向發展[1]。由此大型折彎機派生出一種專門生產各種超大超厚管道的重型數控制管成型機。該類成型機隨著成型工程力與長度的增加，各部件質量隨著增加，需要對成型機框架式結構進行3D仿真、受力分析、動載荷仿真分析與優化。在保證整機強度、剛度的前提下，優化為重量最輕，可分體加工、運輸和安裝。多組油缸與框架的聯接方式，保證可拆裝的前提下，要可靠連接、可靠受力。大型零部件要求虛擬裝配，以提供現場安裝方案。

本文對6000t、6 缸重型框架式制管成型機主機，在其整機結構設計基礎上，利用ANSYS 仿真軟件，對其整機進行有限元分析，以驗證其結構設計的可靠性，并對其優化設計提供指導。對機身結構進行模態分析，建立動力模型，根據成型機的工況對其進行了振動分析，得到其前六階模態，進而對其結構進行了優化設計。

2 6000t、6 缸重型制管成型機組成及工作流程

2.1 重型制管成型機主機結構形式

重型制管成型機主機結構形式為框架式結構。主機由工作臺1、出料機構2、機架3、導軌4、滑塊5、液壓系統6、油缸7、上模8、下模9、電氣系統10 等組成，如圖1 所示。

圖1 重型數控制管成型機主機圖

制管成型機輔機由后送料機構1、后托料機構2、前托料機構4、縱向進料機構5、前送料機構6、側出料機構7 等組成。如圖2 所示。

圖2 重型數控制管成型機輔機圖

2.2 制管成型機工作流程

（1）輸入板料。制管成型機通過縱向進料機構5的輥道，將制管成型機上游設備加工后的板料，輸送到成型區前方中間位置；縱向進料機構5 的輥道落下，板料落在前托料機構4 上。

（2）折制前半圓。放置在前托料機構4 上的板料，由前送料機構6，按照數控系統編程的工步與送料值，依次送料、折制，分步折制出前半圓管坯。

（3）制管成型機主機折制。制管成型機主機3 的滑塊，按照數控系統編程的工步與定位值，驅動滑塊同步運行、精確定位，分步將板料折制成管坯。

（4）折制后半圓。由后送料機構1，按照數控系統編程的工步與送料值，依次送料、折制，分步折制出后半圓管坯。

（5）圓管坯輸出。待全部折制工步完成后，側出料機構7 將開口圓管坯推送，同時V 型出料輥道旋轉，將開口圓管坯輸出到下游設備，制管成型機完成圓管坯加工。

3 6000t、6 缸重型成型機框架式主機有限元分析

隨著有限元技術的發展，人們利用CAE（Computer Aided Engineering 計算機輔助工程）技術對鍛壓設備的結構進行工程數值模擬、結構優化仿真等有限元分析，逐漸成為成形設備結構設計的有效工具[2]。ANSYS Workbench 協同仿真環境是開放式的CAE 平臺，集成了不同前后處理器，是一個直觀、便于交互式操作的仿真系統，能方便快捷地對各種工程問題進行分析[3]。

3.1 主機有限元分析建模

建立6000、6 缸電液數控成型機的有限元分析模型，為有限元分析做準備。首先在不影響整體結構的強度、剛度的情況下對模型進行簡化，忽略圓角、倒角和筋板等特征。忽略重力對靜力分析的影響。利用SolidWorks 軟件將模型簡化，導入ANSYS Workbench 中生成有限元模型。

3.1.1 接觸和邊界條件

建立正確的接觸關系，是實現準確模擬的基礎。利用Workbench 軟件的自動識別功能，本裝配體模型共識別1256 對接觸，將導軌與滑塊的接觸關系定義為“不分離”，摩擦系數為0.05，其余接觸類型定義為“綁定”。

3.1.2 單元類型的選取和網格劃分

采用接觸對專用的“接觸尺寸”方式進行網格劃分，控制不同部位采用尺寸不同的網格。只對孔軸這類動靜連接的部位進行局部細化，以節省計算時間，提高計算精度。整個裝配體共劃分為1148287 個單元，總節點數為2151151 個，網格劃分情況如圖3 所示。

圖3 整機網格劃分示意圖

3.1.3 邊界條件的施加

第一位移邊界條件：機身底部與地面采用“固定”約束方式。第二載荷邊界條件：研究成型機的公稱力是60000kN。根據作用力與反作用力的原理，成形工件時，滑塊和工作臺受到等大反向的一對作用力。上述一對力的載荷均按布載荷處理，分別施加到工作臺面與滑塊上。預緊拉桿的預緊力設為與公稱壓力相同。

3.2 預緊力對成型機剛度的影響

為了探究預緊力對成型機剛度的影響，本文對比了有無預緊力時成型機在公稱壓力下的變形與應力分布情況。

3.2.1 預緊力對原成型機結構的影響

圖4 和圖5 為預緊拉桿有無預緊力時在公稱壓力下成型機的應變與應力分布圖，從圖中可以看出，在預緊拉桿上施加60000kN 的預緊力，成型機的應力與應變反而比未施加預緊力時大。說明預緊拉桿的設計不合理，需要改進。

圖4 無預緊力時成型機的應變與應力分布

圖5 有預緊力時成型機的應變與應力分布

3.2.2 預緊力對改進后成型機結構的影響

為了減小整機的應力與應變，建議對原模型進行改進，在左右立柱中添加一根貫穿整機的直徑175mm 的豎直長預緊拉桿，如圖6 所示。同樣對比改進后長預緊拉桿中有無預緊力時整機的應力與應變，如圖7、8 所示。可以看出，有預緊力時整機應力分布情況變化不大，但應變顯著減小，最大應變從5.5mm 減小到3.25mm。可見添加一根長預緊螺栓能夠顯著減小整機的應變。

圖6 長預緊拉桿示意圖

圖7 改進后無預緊力時成型機的應變與應力分布

4 6000t、6 缸重型成型機框架式主機結構模態分析

模態分析的目的是計算出結構的各種模態特性參數。其中包括評價現有系統結構的振動特性，對未來壓力機在工作狀況進行預估、分析，檢測和推測現有目標系統的振動和故障以至于為進行該系統的動力學性能的優化設計提供依據[4]。通過對伺服壓力機機身進行模態分析，計算出結構的各種模態特性參數，其中包括評價現有系統結構的振動特性，可以明確有害振型和危險區域的節點位置，由此指導改進系統的局部結構，從而改善其動態特性，使之能夠滿足動態強度和剛度的要求[5]。

4.1 模態分析方法

4.1.1 模態分析理論簡介

模態是結構自身的一種固有屬性，每個結構都會有其固定的振動特性[6]。不同的機械結構通過不同的模態特性參數來描述，表征模態的特性參數有模態振型、阻尼比和固有頻率等。系統各階的模態都有對應的模態參數，各階模態在層層疊加之后可以得到結構振動的情況，可以描述系統的模態特性[7]。

4.1.2 計算方法介紹

使用ANSYS Workbench 軟件計算機身模態，求解出機身模態特征。該軟件為結構模態提取提供了7 種求解方法：

（1）子空間迭代法：在特征值對稱時，可用子空間迭代過程。因其計算速度快適合解決簡單問題，對于大型、分布廣、帶狀矩陣特征值問題是最高效的解決方法。

（2）蘭索斯法：采用遞歸算法，其計算式與程序簡單，存儲單元需求少。精度高、運算速度快，綜合表現優于子空間迭代法。對病態矩陣計算效果好，節省計算時間，但對計算機內存要求較高，適用于求解大型的、相對復雜的問題。

（3）動力法：是針對大型模型的方法，是通過先計算前幾介模態來反應結構響模態分析有限元模型的建立應情況，然后軟件根據需要自動選擇計算方法。

（4）縮減法：用簡化的系統矩陣求解矩陣，求解速度快但是求解精度較低。

（5）非對稱法：用于求解系統是非對稱矩陣的問題，適用于流、固相互影響的問題。

（6）阻尼法：用于求解系統中小阻尼不可忽略的問題。

圖8 改進后有預緊力時成型機的應變與應力分布

（7）QR 阻尼法：常應用于阻尼較大的模態分析問題。

進行模態分析的流程如下：添加幾何模型—設置材料屬性—定義接觸區域—定義網格控制—定義分析類型—添加邊界條件—求解，共計7 步完成。

4.2 模態分析計算結果

在結果中選取機身前六階的固有頻率和振型進行分析，如表1 所示。

表1 框架式主機機身前6 階模態

前六階模態陣型如圖9 所示。由圖可知前六階模態主要受激振動部件為上橫梁，最大變形達到0.6mm 為了研究機身本體的受激響應，將上橫梁壓縮后再計算六階模態。如表2 所示，前六階模態陣型如圖10 所示。

表2 壓縮上橫梁后整機機身前6 階模態

圖9 機身六階模態示意圖

圖10 壓縮上橫梁后機身六階模態示意圖

4.3 分析

基于上述仿真結果可知，前三階模態最大變形可達到0.08mm，后三階模態最大變形可達到0.6mm。在有上橫梁時，前六階模態主要為上橫梁的變形，前六階模態為4.8517Hz、5.6893Hz、5.8981Hz、8.2831Hz、8.6382Hz、9.0685Hz。在去除上橫梁僅研究本機變形時，前六階模態分別為整機的前后擺動4.8606Hz、5.6968Hz，整機左右扭轉8.3107Hz，上模前后擺動15.176Hz，下模前后擺動18.873Hz，上模左右扭轉20.167Hz。可見，此十二階模態下變形量最大不超過0.7mm，在安全范圍內，但還應避免在模態對應頻率處長期工作，以防引起共振與疲勞失效。

5 結論

利用ANSYS 軟件對6000t、6 缸重型框架式成型機主機進行了系統的有限元分析，并對其機身結構進行了模態分析,對于整機設計提出以下幾點建議。

（1）原預緊拉桿施加預緊力后反而會加大應力和應變，并提出了添加一根貫穿左右立柱的豎直長預緊拉桿的方案，通過有限元分析發現改進后的方案能夠明顯減小整機的應變情況。

（2）該6000t、6 缸電液數控成型機的十二階模態下變形量最大不超過0.7mm，在安全范圍內，同時為了避免引起共振和改裝備的疲勞失效，建議應避免在模態對應頻率處長期工作。