框板式熱壓機結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析與改進*

魏 晗，吳釗栩，薛 義

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

熱壓機是人造板生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。熱壓機的生產(chǎn)能力決定了人造板生產(chǎn)線的產(chǎn)量,而熱壓機的技術(shù)水平也在很大程度上決定了人造板產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。 發(fā)展人造板工業(yè)、提升人造板設(shè)備的整體性能對永續(xù)利用和保護林業(yè)資源意義重大[2]。在刨花板生產(chǎn)過程中，熱壓成型是一道關(guān)鍵工序，熱壓機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是熱壓機工作效率的重要保證。熱壓機框架板是壓機承受壓力、安裝其他部件的基礎(chǔ)。通常，設(shè)計者根據(jù)自身的經(jīng)驗，在大致尺寸范圍內(nèi)預(yù)先選擇一組尺寸數(shù)據(jù)，然后對框架進行強度和剛度的校核，檢驗其是否滿足工作要求。這種設(shè)計方法，一方面大大增加了設(shè)計人員的工作負擔(dān)，另一方面選定的結(jié)果通常并不是最優(yōu)，往往會造成原材料的浪費[3]。

熱壓機適用于刨花板三聚氰氨浸漬貼面加工，中密度纖維板及高密度強化地板三氧化鋁耐磨紙的貼面加工。快速貼面熱壓機每天在一定壓力下壓貼上千次，工作強度很高，對熱壓機框架的破壞性較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響熱壓機的工作性能，利用有限元法對熱壓機結(jié)構(gòu)進行力學(xué)性能分析并優(yōu)化設(shè)計是提高熱壓機工作壽命、降低成本的必要手段[4]。此方法比通常的材料力學(xué)計算更加先進和方便，通過計算結(jié)果的應(yīng)力和位移云圖能直觀地了解結(jié)構(gòu)的不足，從而能更好地對結(jié)構(gòu)提出改進措施。

圖1 原始結(jié)構(gòu)

熱壓機在反復(fù)加載變化載荷的過程中，在應(yīng)力集中部位會形成損傷累積，經(jīng)過足夠次數(shù)的循環(huán)應(yīng)力作用后，就會產(chǎn)生疲勞裂紋直至擴展而斷裂，所以保持一定數(shù)值的疲勞強度是結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的基本保證[5]。因此，有必要對熱壓機框架進行疲勞強度分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

本文研究對象是無錫某熱壓機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的框板式結(jié)構(gòu)的熱壓機，型號HSYJ2400，結(jié)構(gòu)尺寸為：長×寬×高=L×W×H=4000 mm×1400 mm×3152 mm，板厚為70 mm，幾何模型如圖1所示。根據(jù)廠家提供的信息可知，該型號熱壓機在使用十個月左右就出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象，且裂紋的現(xiàn)場修復(fù)不方便。廠家提出的要求是結(jié)構(gòu)合理、用料省、兩端受力易開裂處出現(xiàn)的問題易于現(xiàn)場修補，省去返廠修復(fù)的來回運費。

1 熱壓機有限元分析

1.1 熱壓機有限元模型的創(chuàng)建

圖2 原始結(jié)構(gòu)有限元模型(四分之一)

該型號的熱壓機共有8個液壓缸，且液壓缸的安裝形式為上置式，每個液壓缸的直徑為560 mm。整個機架的上下部分是由4塊鋼板通過中間筋板連接，左右兩端加側(cè)面板，在側(cè)面板上開槽插入加強板，側(cè)面板之間用槽鋼連接，鋼板與筋板之間的連接用焊接實現(xiàn)。框架結(jié)構(gòu)的上部分用于安裝液壓缸和熱壓頂墊等部件，下部分作為支撐來實現(xiàn)貼面操作。由于結(jié)構(gòu)是框板式的，整體結(jié)構(gòu)前后左右對稱。因此選擇ANSYS軟件單元庫中的實體單元Solid185建立熱壓機框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，根據(jù)實際工況，在創(chuàng)建有限元模型時做了相應(yīng)的簡化和假設(shè)：

1)建模過程中，焊接件之間的連接通過體元的相加實現(xiàn)；

2)由于整體結(jié)構(gòu)和載荷是四分之一對稱的，為提高分析效率，只需要創(chuàng)建四分之一的有限元模型，如圖2所示；

3)實際結(jié)構(gòu)中側(cè)面板之間的筋板是槽鋼，本模型中是利用矩形鋼板實現(xiàn)。

1.2 假設(shè)條件、材料屬性、邊界條件及求解

1.2.1 假設(shè)條件

在計算過程中不考慮焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力或損傷對結(jié)構(gòu)的影響；不考慮熱壓機工作中溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響；材料的材質(zhì)、應(yīng)力集中、尺寸、表面情況均認為是理想狀態(tài)。

1.2.2 材料屬性

結(jié)構(gòu)的板材材料是碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235鋼)或低合金高強度鋼(Q345鋼)，兩種鋼材在板厚為50～100 mm時材料的屈服強度極限分別為σs=205 MPa和σs=275 MPa，兩種鋼材的彈性模量和泊松比分別都為E=200 GPa和μ=0.3。

1.2.3 載荷與約束

熱壓機的工作載荷是2400 t，故熱壓機中部的上下熱壓墊因液壓缸工作而承受24000 kN的載荷，在計算過程中將此載荷轉(zhuǎn)換為均布載荷，由公式(1)表示：

(1)

其中，F(xiàn)為工作載荷，A為承載面積。

求得上板載荷大小為17.13 MPa，下板載荷為6.59 MPa。熱壓機在實際工作時是垂直放置，與地面沒有任何固定措施(如地腳螺釘)，故在施加位移約束時選擇兩側(cè)端部的底部在Z方向約束，而X和Y方向上自由(假設(shè)熱壓機的高度方向為Z方向)。由于模型結(jié)構(gòu)為整體的四分之一，故在對稱面上添加對稱約束。

1.2.4 求解類型

熱壓機每次貼面工作過程是加載時間約2 s，保持壓力22 s，然后卸載，卸載時間約2 s，即載荷時間歷程為：0-2 s-22 s-24 s，0-24000 kN-24000 kN-0，如圖3所示。此載荷頻率相對于機架的固有頻率來講，偏離很大(根據(jù)計算得到的機架的固有頻率最小為1879.1 Hz，限于篇幅，此計算過程在本文中沒有給出詳細描述)，故此載荷歷程的動態(tài)響應(yīng)對機架的響應(yīng)很小，因此選擇靜態(tài)分析，而未選擇瞬態(tài)分析。

圖3 時間歷程圖

1.3 原始結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果

根據(jù)上述條件進行靜力分析后得到變形圖和應(yīng)力云圖，如圖4和圖5所示。

圖4 原始結(jié)構(gòu)的變形圖 圖5 原始結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，框架兩端的側(cè)面板和加強板中部產(chǎn)生向內(nèi)凸彎曲，框架的上下橫板部分產(chǎn)生向外凸彎曲。依據(jù)材料力學(xué)知識判定，結(jié)構(gòu)側(cè)面板和加強板中部截面上承受最大拉伸作用力。在上橫板與加強板連接處可能存在較大的彎曲應(yīng)力和較大的剪切應(yīng)力，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從圖5可以看出，最大應(yīng)力確實發(fā)生在上橫板與加強板的連接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，這與熱壓機在實際工作中出現(xiàn)裂紋的區(qū)域一致，表明計算過程中的簡化、假設(shè)條件以及有限元模型均符合實際情況，計算結(jié)果可信。最大的Mises應(yīng)力達到了267 MPa，若結(jié)構(gòu)鋼板材料是Q235鋼，則應(yīng)力值超出了材料的屈服強度，結(jié)構(gòu)強度明顯不足，同時根據(jù)計算得到，原結(jié)構(gòu)總重量超過30 t，即結(jié)構(gòu)用材較多。如果選擇Q345鋼，成本會增加。為了減少成本，還需進行進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)改進方案與計算結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)的改進需要根據(jù)實際情況來實現(xiàn)，比如考慮到運輸問題而需要限制框架結(jié)構(gòu)的高度。再如，工作壓力的要求限制了液壓缸直徑的大小及液壓缸排列和安裝的方式，這使得中部結(jié)構(gòu)不能輕易加強也不能輕易削弱。因此對原有結(jié)構(gòu)的改進基本上限于左右兩端。筆者提出了多種改進方案，并進行分析，限于篇幅，僅對2種改進后效果較好的方案進行分析比較。

在從原始結(jié)構(gòu)的變形情況來看，結(jié)構(gòu)的上部分的橫板產(chǎn)生凸向上的彎曲變形，使結(jié)構(gòu)的側(cè)面板與橫板的連接處產(chǎn)生拉應(yīng)力。為了減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凸變形，圖6(a)所示為第一種改進方案，即機架頂部保持不變，在正面板上添加1500 mm×450 mm×70 mm的加強板，由于液壓缸尺寸的限制，加強板無法貼在內(nèi)側(cè)。側(cè)面板上添加2980 mm×70 mm×60 mm的兩塊加強板。

圖6 改進方案

通過有限元分析計算，最大Mise應(yīng)力為215 MPa，應(yīng)力云圖如圖7(a)所示。但在上橫板與加強板連接處的最大Mises應(yīng)力為215 MPa，稍大于205 MPa，選擇Q235鋼能基本滿足強度要求，若選擇Q345鋼，則能很好地滿足強度要求。但根據(jù)計算得出此方案所需材料也超過了30 t，并未達到用料省的目的。鑒于此，在第一種改進方案的基礎(chǔ)上再做修改，由于結(jié)構(gòu)側(cè)頂部的應(yīng)力很小，可以考慮削去部分結(jié)構(gòu)，在頂板沿著45°方向切去多余的材料，并進行50 mm圓角處理，如圖6(b)所示，即第二種改進方案。對結(jié)構(gòu)的側(cè)面板結(jié)構(gòu)進行修改，利用整板和側(cè)面加強筋提高強度，計算所得的應(yīng)力云圖如圖7(b)所示。

圖7 改進結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖7(b)可以看出，最大應(yīng)力并未發(fā)生在側(cè)面板、加強板和上橫板的連接處，而是發(fā)生在底板上。結(jié)構(gòu)兩端加強板與上橫板連接處的最大Mises應(yīng)力為216 MPa，使用Q235鋼基本滿足強度需求，且整個結(jié)構(gòu)的重量不發(fā)生較大增加。因此，方案二對結(jié)構(gòu)的改進不僅增加了結(jié)構(gòu)的強度同時也對整體的應(yīng)力情況有所改善，保證了整體重量不發(fā)生較大變化，節(jié)省了材料。

兩種方案的最大應(yīng)力都是發(fā)生在結(jié)構(gòu)底板與側(cè)面板相連接處，若此處因強度不足而造成破壞可以比較方便地在現(xiàn)場修補，相對于原始結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋后修補較容易。因此，此兩種方案能為廠家解決實際問題提供參考。

3 疲勞分析

3.1 疲勞分析的目的

由于熱壓機在工作中，通常要進行每天上千次的壓力往復(fù)，所以在應(yīng)力較大的部位極容易產(chǎn)生疲勞累積，以至于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，影響工作效率，甚至危及工作人員的生命安全。因此，有必要對熱壓機框架結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命分析，以便于日常的保養(yǎng)和修復(fù)。

靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體。疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，形成損傷并逐漸積累，導(dǎo)致破壞發(fā)生。可見，局部性是疲勞的顯著特點，零、構(gòu)件的應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源[6]。此次的疲勞分析將重點放在了應(yīng)力集中的部分。

3.2 疲勞分析的計算方法

Q235鋼的S-N曲線如圖8所示，隨著拉伸應(yīng)力的增大，材料的疲勞壽命會隨著減小，當(dāng)壽命達到107時，便可以認為材料的壽命為無限大。

圖8 Q235的S-N曲線

利用S-N曲線，對不同振幅的交變應(yīng)力依次作用時的疲勞壽命進行評價的方法有Miner累加規(guī)律[7]：

(2)

其中，Ni為第i種載荷的作用循環(huán)數(shù)，Nfi為第i種載荷單獨作用時的疲勞壽命。

平均應(yīng)力計算：

(3)

應(yīng)力幅計算：

(4)

其中，σmax表示最大應(yīng)力，σmin表示最小應(yīng)力。

3.3 nCode軟件計算

將Ansysworkbench中的計算結(jié)果導(dǎo)入nCode疲勞分析軟件，對該結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命分析，忽略底面全固定約束帶來的誤差。通過觀察壽命圖，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)最小疲勞壽命正好在應(yīng)力集中處，符合疲勞的發(fā)生規(guī)律，深色部分的壽命相較于其他部分較短，查詢節(jié)點壽命可得，未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最小壽命在上橫板與加強板連接處，大小為2.43×104次。

圖9 結(jié)構(gòu)壽命圖

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最小壽命依然發(fā)生在上橫板與加強版連接處，大小為3.913×104次，相較于未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的壽命提升了約61%，大幅度延長了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

4 結(jié)論

1)通過對熱壓機原有框架結(jié)構(gòu)的有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力所在的區(qū)域與熱壓機在實際工作中出現(xiàn)的裂紋發(fā)生區(qū)域基本一致，表明計算過程正確，計算結(jié)果可信，通過變形和應(yīng)力圖能直觀方便地了解原始結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和薄弱點。

2)根據(jù)原始結(jié)構(gòu)薄弱點和熱壓機框架結(jié)構(gòu)實際情況的需要，提出了2種改進方案，并對其進行了分析、計算和比較。計算結(jié)果表明，這兩種方案在強度上都能滿足要求。而第二種方案，不僅強度滿足要求，重量也未明顯增加，達到用料省的目的。

3)本文通過靜力計算，從結(jié)構(gòu)強度的角度對原始結(jié)構(gòu)提出改進方案。事實上熱壓機的框架結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中也可能會因疲勞而產(chǎn)生裂紋，這需要運用金屬疲勞破壞的理論進行分析并通過現(xiàn)場模擬，進行充分必要的實驗，才能獲得設(shè)計所需的數(shù)據(jù)，提出切實可行的改進方案。

4)本文通過疲勞分析軟件計算得出的結(jié)果，對原有模型進行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，使其應(yīng)力集中部位的壽命得到了較大增加。

5)液壓系統(tǒng)的具體配置和操作方法也可能使得結(jié)構(gòu)有超載的可能性，載荷達24000 kN的壓力機器，就不能保證超載對框架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損壞，這也需要進一步的研究與實驗驗證。

6)由于熱壓機工作時常常伴有高溫，因此在結(jié)構(gòu)分析時還應(yīng)考慮溫度變量。熱壓機的高溫過程分析將后續(xù)展開。