鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)機(jī)架三維造型及有限元分析

陳濤

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西省景德鎮(zhèn)333403）

鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)機(jī)架三維造型及有限元分析

陳濤

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西省景德鎮(zhèn)333403）

利用Pro/Engineer軟件建立起某型號鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)機(jī)架的三維CAD模型，并將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行機(jī)架的部件分析和接觸分析，為此類壓磚機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供一定的依據(jù)。

鋼絲纏繞，壓磚機(jī)，機(jī)架，有限元分析，三維造型

1 前言

陶瓷全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)（以下簡稱壓磚機(jī)）是進(jìn)行陶瓷墻地磚生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，壓磚機(jī)已經(jīng)形成了比較完整的系列產(chǎn)品。以前國內(nèi)外廣泛采用的壓磚機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)多為三梁四柱式或板框式，但三梁四柱結(jié)構(gòu)的立柱受拉應(yīng)力作用且載荷波動(dòng)量大，在梁柱的螺紋接合處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，造成疲勞破壞。板框結(jié)構(gòu)可以消除立柱上因螺紋而引起的應(yīng)力集中，但在梁柱過渡處仍有拉應(yīng)力集中現(xiàn)象存在，即使是加大該處的過渡圓角，由于壓磚機(jī)長期處于高周疲勞工況，仍極易在此處出現(xiàn)疲勞斷裂[1]。隨著壓磚機(jī)朝大噸位方向發(fā)展，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)遇到了機(jī)架尺寸和重量均過大、應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重等難以克服的困難，在此情況下，意大利SCAMI公司首先將鋼絲纏繞預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PH4200型壓磚機(jī)中，以后陸續(xù)推出的威力系列壓磚機(jī)都采用了這種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)機(jī)架[2]。幾年后，廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司研制成功了國內(nèi)第一臺鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)KD4800型，標(biāo)志著我國的壓磚機(jī)開始進(jìn)入“預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞”時(shí)代。

由于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞機(jī)架具有疲勞強(qiáng)度高、重量輕、承載能力高、便于安裝運(yùn)輸、能適應(yīng)長期連續(xù)運(yùn)行的惡劣工況等優(yōu)點(diǎn)，能克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的眾多不足，因此得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但是此類壓磚機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)仍以經(jīng)驗(yàn)類比法為基礎(chǔ)，尚缺乏一些系統(tǒng)的分析和理論依據(jù)。本文將闡述某型號4800噸鋼絲纏繞型壓磚機(jī)機(jī)架的三維造型方法及過程，并對機(jī)架進(jìn)行有限元分析，期望分析結(jié)果能給設(shè)計(jì)者提供相應(yīng)的依據(jù)。

2 機(jī)架三維造型

機(jī)架是壓磚機(jī)的重要組成部分，也是主要的受力部件。一旦機(jī)架出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致整臺壓磚機(jī)的失效。所以對機(jī)架建立三維模型并對其進(jìn)行有限元分析是非常有必要的。

鋼絲纏繞型壓磚機(jī)的機(jī)架（如圖1所示）一般采用單牌坊式機(jī)架，即由上、下半圓梁和兩根立柱（左右各一根）組成，在兩立柱與上、下半圓梁的外環(huán)表面設(shè)計(jì)出一環(huán)行等寬度的鋼絲槽，用于纏繞鋼絲。雖然不同噸位、型號的鋼絲纏繞型壓磚機(jī)技術(shù)參數(shù)不同，但機(jī)架的結(jié)構(gòu)基本一致，只是尺寸有所區(qū)別，所以鋼絲纏繞型機(jī)架的三維模型均可用以下方法和步驟建立起來。

2.1 零件三維造型過程

本次選用的三維造型軟件為美國參數(shù)化公司PTC（Parametric Technology Company）的Pro/Engineer軟件。在該軟件中的特征造型方式為：零件=基本特征（毛坯）+輔助特征1+輔助特征2+……。由于鋼絲纏繞型機(jī)架是由很多個(gè)零件組成的，為了在Pro/E平臺上順利完成各個(gè)零件的三維建模，有必要對所有零件的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析并作歸類總結(jié)，如圖2所示。

在Pro/E軟件中的特征造型主要有實(shí)體造型和曲面造型兩種類型，機(jī)架部分涉及的主要是實(shí)體造型方法。該方法主要是通過在基本特征的基礎(chǔ)上加入輔助特征進(jìn)行布爾運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的，對于構(gòu)造相對復(fù)雜的實(shí)體，過程也是一樣的，只是加入的輔助特征多一些而已。

以某型號機(jī)架的右立柱為例說明在Pro/E平臺上建立三維模型的過程。立柱可以看成是在一長方體（毛坯）的基本特征的基礎(chǔ)上加上鋼絲槽、沉頭孔（用于安裝防側(cè)移螺栓）、導(dǎo)向凸臺、用于安裝安全裝置的凸臺、定位銷孔和圓角等輔助特征而得到其三維模型的。其完成步驟如下：

（1）首先建立一個(gè)機(jī)架的絕對坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)右立柱在絕對坐標(biāo)系中的位置，建立該零件的局部坐標(biāo)系；

（2）在右立柱的局部坐標(biāo)系中，應(yīng)用ProtrusionExtrude命令建立一個(gè)長方體的毛坯，此毛坯長、寬、高的尺寸都應(yīng)和立柱的外形尺寸一致；

（3）利用實(shí)體造型的方法，在毛坯的基礎(chǔ)上，執(zhí)行CutExtrude操作，得到立柱上的鋼絲槽和防側(cè)移凸臺；

（4）再使用ProtrusionExtrude命令，加上輔助特征的導(dǎo)向凸臺和用于安裝安全裝置的凸臺；

（5）對所得模型使用Hole命令進(jìn)行鉆孔，有螺紋的再用Sweep命令加上螺紋，最后就得到了圖3所示的右立柱的三維模型。

機(jī)架中的上橫梁（即上半圓梁，如圖4所示）、左立柱（和圖3對稱）和底座（即下半圓梁，如圖5所示）等也是運(yùn)用同樣的方法完成三維造型的，由于篇幅所限，這里不再贅述它們的造型過程。

2.2 機(jī)架裝配過程

獲得各部分的三維模型后就可以進(jìn)行該機(jī)架的裝配了。機(jī)架的裝配過程主要是采用了基于特征的裝配。在實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品的裝配過程是通過各零部件上的裝配特征用不同的方法將它們連接在一起的。而Pro/E軟件中的Assembly模塊也提供了這種裝配方式。在對機(jī)架進(jìn)行裝配前，首先要分析機(jī)架中各零件的裝配特征和零件之間的裝配關(guān)系，如面與面的貼合、孔與孔的對齊等，再利用Assembly模塊中提供的裝配功能，如Mate（兩平面貼合）、Align（對齊）、Insert（軸與孔的配合）、Tangent（兩曲面相切）等，軟件系統(tǒng)就會根據(jù)給定的裝配關(guān)系，將零件自動(dòng)的放到指定的位置上，從而完成機(jī)架的裝配過程。在這種裝配方式中，如果改變某一個(gè)零件的原始設(shè)計(jì)尺寸，與它相關(guān)零件的位置或約束關(guān)系都會自動(dòng)地隨之改變，達(dá)到產(chǎn)品的參數(shù)化修改。根據(jù)上述步驟完成的某型號機(jī)架裝配模型如圖6。

3 有限元靜力學(xué)分析

有限元法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要組成部分，研究有限元法在機(jī)架開發(fā)中的應(yīng)用，是提高機(jī)架設(shè)計(jì)效率和機(jī)架性能的重要途徑。鋼絲纏繞型壓磚機(jī)機(jī)架作為機(jī)械結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)保證它的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即壓磚機(jī)在預(yù)緊或工作狀態(tài)下，機(jī)架各部分的應(yīng)力值不超過材料的許用應(yīng)力極限，因此有必要在壓磚機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)和簡化形式，本文先介紹靜力學(xué)分析部分，動(dòng)力學(xué)分析部分將另文討論。

本次采用的有限元分析軟件為美國SWANSON ANALYSIS SYSTEM ICO軟件公司的ANSYS軟件。利用ANSYS軟件中的Mechanical模塊主要對機(jī)架進(jìn)行了兩方面的分析：一是分別對機(jī)架的上橫梁、立柱、底座單獨(dú)作部件分析；二是在機(jī)架的上橫梁與立柱、底座與立柱的連接部位處加上接觸單元進(jìn)行了接觸分析。

在對傳統(tǒng)的三梁四柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，預(yù)緊力的施加是利用ANSYS軟件中的溫度變化分析功能來實(shí)現(xiàn)的。利用ΔL=FL/EA，且ΔL=α*L* ΔT（其中，ΔL為立柱總變形量，F(xiàn)為預(yù)緊力或外加載荷，L為立柱總長，E為材料彈性模量，A為接觸面積，α為膨脹系數(shù)，ΔT為溫度變化量），通過改變溫度的變化量來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力大小的調(diào)節(jié)。在實(shí)際裝配時(shí)，可先對立柱進(jìn)行升溫處理，再將梁柱通過螺紋連接起來，當(dāng)立柱恢復(fù)室溫后就在梁柱內(nèi)部形成一定的預(yù)緊力（表現(xiàn)為拉力）。那么在對鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，預(yù)緊力的處理也可以利用相同的方法，只是此時(shí)應(yīng)對立柱進(jìn)行降溫處理，再纏繞上多層鋼絲，當(dāng)立柱恢復(fù)室溫后同樣可在梁柱內(nèi)部形成相應(yīng)的預(yù)緊力（表現(xiàn)為壓力）。

3.1 部件分析

（1）模型建立與網(wǎng)格劃分

在Pro/E中建好三維實(shí)體模型后，運(yùn)行ANSYS菜單下面的ANSYS GEOM，可將Pro/E中的prt文件通過接口軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ANSYS可識別的anf文件，然后調(diào)用ANSYS讀入該anf文件就可將Pro/E模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中，用PLOT--VOLUME或者AREA可顯示該模型。對ANSYS模型進(jìn)行處理時(shí)，為了分析方便，通常要忽略掉那些對應(yīng)力計(jì)算不影響的幾何特征，如各種孔、凸臺等特征。由于機(jī)架結(jié)構(gòu)對稱性，可以只取上橫梁、底座的四分之一和立柱的二分之一進(jìn)行分析，不影響分析結(jié)果的正確性。使用四面體十節(jié)點(diǎn)單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖略），上橫梁被劃分為8543個(gè)單元，13275個(gè)節(jié)點(diǎn)；底座被劃分為7748個(gè)單元，12149個(gè)節(jié)點(diǎn)；立柱被劃分為871個(gè)單元，1829個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（2）加載和求解

約束處理：在各對稱面上分別加上對稱面自由度約束；在上橫梁與立柱的接觸面上分別加上垂直方向的自由度約束；在底座與立柱的接觸面上分別加上垂直方向的自由度約束。

載荷分析：因上橫梁與底座均為半圓梁，受鋼絲纏繞的半圓面相同，故預(yù)緊時(shí)上橫梁和底座受到相同的預(yù)緊外載荷。

求解：施加約束和載荷后利用直接求解法進(jìn)行求解。

（3）分析結(jié)果

分析獲得的von mises應(yīng)力云圖如圖7、8、9所示，其中應(yīng)力單位為帕（Pa）。由圖可以看出：底座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在和立柱連接面的內(nèi)連接線處，另外底座中間凹槽圓角處（圖7中圓圈所示位置）應(yīng)力也較大；立柱的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上凸緣（用于安裝防側(cè)移螺栓）的底側(cè)；上橫梁的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在和立柱連接面的內(nèi)連接線處，且體現(xiàn)為壓應(yīng)力，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的是拉應(yīng)力。

3.2 接觸分析[4]

（1）模型建立與網(wǎng)格劃分

同樣通過ANSYS的數(shù)據(jù)訪問模塊直接將在Pro/Engineer系統(tǒng)中建立的機(jī)架三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS程序中。取整個(gè)機(jī)架的四分之一進(jìn)行分析，并使用四面體十節(jié)點(diǎn)單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，在底座與立柱、上橫梁與立柱的接觸表面上加上接觸單元，接觸單元采用3D實(shí)體面-面接觸單元對：CONTA174和TARGE170。CONTA174用來模擬3D實(shí)體上的“接觸面”（如是剛體-柔體的面-面接觸，柔性體的表面定義未接觸面），TARGE170用來模擬3D“目標(biāo)面”。一個(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫作一個(gè)“接觸對”，程序通過一個(gè)共享的實(shí)常數(shù)號來識別“接觸對”。CONTA174單元位于有中節(jié)點(diǎn)的實(shí)體或殼單元的表面，由8節(jié)點(diǎn)定義，有時(shí)可退化為6節(jié)點(diǎn)的單元。圖10是CONTA174單元示意圖。覆蓋在實(shí)體表面的接觸單元潛在地和由TARGE170單元定義的目標(biāo)面接觸，目標(biāo)面由一系列的目標(biāo)段單元（TARGE170）描述。圖11是TARGE170單元的示意圖。由于分析采用的是實(shí)際模型且網(wǎng)格劃分足夠細(xì)，因此分析結(jié)果較接近實(shí)際。

（2）加載和求解

在工作狀態(tài)下，約束除了施加對稱面約束外，還要在底座與地基連接部位施加固定約束；施加載荷時(shí)應(yīng)考慮到此時(shí)鋼絲因受到工作載荷的作用拉長，對上下半圓梁的預(yù)緊力載荷變大。

求解：在進(jìn)行有限元接觸分析時(shí)采用牛頓-拉普森迭代法（Newton-Raphson method）以載荷作為迭代變量，建立迭代關(guān)系式來求解，每次運(yùn)算時(shí)逐步加載，通過運(yùn)算結(jié)果判斷每個(gè)載荷增量步情況下接觸面是接觸還是分離。

（3）分析結(jié)果

分析獲得的von mises應(yīng)力云圖如圖12、13所示，其中應(yīng)力單位為帕（Pa）。由圖可以看出：最大應(yīng)力的出現(xiàn)位置與部件分析時(shí)大體一致，但在底座上除圖12中A處存在較大應(yīng)力之外，下端的截面突變處也出現(xiàn)了最大應(yīng)力；底座與立柱的接觸面、上橫梁與立柱的接觸面上應(yīng)力分布是不均勻的，且越離開纏繞區(qū)，應(yīng)力越??；立柱的應(yīng)力云圖與部件分析時(shí)一致，故圖略。

4 結(jié)束語

對機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析的作用一方面是保證機(jī)架各部分在所承受靜力作用下的應(yīng)力和變形不超過允許范圍；另一方面是利用部件分析和接觸分析的結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)者調(diào)整機(jī)架各部分的應(yīng)力分布，使各部分的應(yīng)力值達(dá)到均衡，最大限度的利用材料，減少材料的使用量，從而降低壓磚機(jī)整機(jī)重量和制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

通過上述分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）預(yù)緊后上橫梁的最大應(yīng)力出現(xiàn)在和立柱連接面的內(nèi)連接線處，且體現(xiàn)為壓應(yīng)力，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的是拉應(yīng)力，這和有限元分析時(shí)對預(yù)緊力的處理所得出的結(jié)果一致，證明在鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)中使用降溫法進(jìn)行安裝是可行的，但是注意要對兩根立柱進(jìn)行同時(shí)、均勻地降溫，以免造成兩根立柱所受預(yù)緊力不等的情況；

（2）在底座上除圖12中A處存在較大應(yīng)力之外，下端的截面突變處也出現(xiàn)了最大應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，除增大過渡圓角之外，還應(yīng)采取盡量減少截面突變的程度等措施；

（3）立柱的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上凸緣（用于安裝防側(cè)移螺栓）的底側(cè)，因此必須增大該處的過渡圓角；

（4）根據(jù)上橫梁受鋼絲預(yù)緊后的應(yīng)力分布情況可以看出中央部分的區(qū)域?yàn)榈蛻?yīng)力區(qū)，可將此區(qū)域挖空，作為內(nèi)置油箱用，這樣既可降低整機(jī)高度，又可降低整機(jī)重量。

1張柏清等.全自動(dòng)液壓壓磚機(jī).南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社, 2001

2韋峰山等.YP5000型液壓自動(dòng)壓磚機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析.陶瓷,2003,(6)

3吳南星等.大噸位鋼絲纏繞液壓壓磚機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì).中國陶瓷工業(yè),2002,(3)

4肖任賢等.纏繞型全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)的有限元接觸分析.中國陶瓷工業(yè),2002,(5)

Abstract

The Pro/Engineer software was applied to establish a three-dimensional model for the steel wire-wound frame of a hydraulic press,and FEA software ANSYS was used to perform analysis on its parts and contact surfaces.The study can provide some reference for the design and improvement of this kind of hydraulic press.

Keywords steel wire-wound,hydraulic press,frame,finite element analysis(FEA),three-dimensional(3D)modeling

THREE-DIMENSIONAL MODELING AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF THE STEEL WIRE-WOUND FRAME FOR HYDRAULIC PRESS

Chen Tao
(School of Mechanical and Electronic Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 33403,China)

TQ174.5

A

1000-2278（2010）04-0611-06

2010-07-07

陳濤，E-mail:rosechen223@yahoo.com.cn