折彎?rùn)C(jī)參數(shù)化建模及優(yōu)化

潘志華，高建和，田萬(wàn)英

（1.江蘇揚(yáng)力集團(tuán) 數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；（2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

折彎?rùn)C(jī)參數(shù)化建模及優(yōu)化

潘志華1，高建和2，田萬(wàn)英1

（1.江蘇揚(yáng)力集團(tuán) 數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；（2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

本文采用參數(shù)化建模方法建立折彎?rùn)C(jī)的實(shí)體模型，并建立滑塊與工作臺(tái)之間的接觸對(duì)有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析；在參數(shù)化模型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以喉口及油缸連接處應(yīng)力為約束條件，最終通過(guò)優(yōu)化獲得折彎?rùn)C(jī)的質(zhì)量最輕。

機(jī)械設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；折彎?rùn)C(jī)；參數(shù)化建模

1 引言

折彎?rùn)C(jī)利用滑塊的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板料的各種角度和形狀的彎曲。折彎?rùn)C(jī)操作簡(jiǎn)單、通用性好、模具更換方便，廣泛應(yīng)用于鈑金加工行業(yè)。目前，折彎?rùn)C(jī)實(shí)現(xiàn)了電液比例伺服控制及數(shù)控編程技術(shù)，使得操作更容易、效率更高，加工精度也得到提高。

參數(shù)化方法建立有限元模型，在不改變模型原來(lái)拓?fù)潢P(guān)系前提下，可在分析過(guò)程中簡(jiǎn)單修改參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析不同尺寸、約束及載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案，提高分析效率，減少分析成本。同時(shí)參數(shù)化模型也是優(yōu)化分析的基礎(chǔ)。

這里以630kN數(shù)控折彎?rùn)C(jī)為研究對(duì)象，采用參數(shù)化建模對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到滿足使用要求并降低重量的效果。折彎?rùn)C(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 630kN數(shù)控折彎?rùn)C(jī)主要參數(shù)

2 有限元靜態(tài)分析

2.1 參數(shù)化建模

在建立折彎?rùn)C(jī)有限元模型過(guò)程中，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略對(duì)整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形影響不大，尺寸較小的圓角、圓孔、螺孔等；為分析方便，去除了實(shí)際工作中上、下橫梁間的折彎板材；為節(jié)約計(jì)算成本，使用APDL語(yǔ)言自底而上地建立1/2實(shí)體模型。綜合考慮折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)，選用SOLID92單元，采用自動(dòng)網(wǎng)格建立法建立有限元模型。

對(duì)于折彎?rùn)C(jī)的結(jié)構(gòu)分析，大多將其分為滑塊、工作臺(tái)和機(jī)身來(lái)分別進(jìn)行計(jì)算，本文對(duì)折彎?rùn)C(jī)整體有限元建模，采用CONTA174、TARGE170單元建立滑塊與工作臺(tái)之間的面—面接觸對(duì)（圖1），進(jìn)行靜態(tài)分析與計(jì)算。

圖1 接觸對(duì)模型

2.2 模型的邊界條件

機(jī)架通過(guò)地腳螺栓固定在地面，限制底面的平動(dòng)，因此，對(duì)地腳進(jìn)行全約束；滑塊通過(guò)螺栓與焊接在機(jī)架上的板相連接，制約了滑塊前后和左右方向的平動(dòng)，故限制滑塊兩個(gè)方向的自由度，垂直方向的自由度通過(guò)滑塊與工作臺(tái)之間的接觸進(jìn)行約束。

油缸活塞桿的中心與滑塊中心在同一面內(nèi)，活塞桿的伸長(zhǎng)和縮短帶動(dòng)了滑塊的上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)滑塊表面施加均布載荷，并對(duì)活塞桿施加反作用載荷，方向垂直向上。

2.3 分析結(jié)果

根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的材料特性，分析計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)分析得到的整體應(yīng)力、總位移及喉口應(yīng)力如圖2所示。最大應(yīng)力位置在側(cè)板與油缸連接的底部，在實(shí)際折彎中會(huì)發(fā)生撕裂破壞；下喉口處應(yīng)力也較大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。對(duì)以上兩個(gè)部位，需采取措施保證使用強(qiáng)度要求，因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將其兩位置最大應(yīng)力作為約束條件。

圖2 靜態(tài)分析結(jié)果

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)是將最優(yōu)化原理和計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，雖然優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型不同，但優(yōu)化模型的三要素均為：設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程就是在約束條件定義的可行域內(nèi)尋找一組設(shè)計(jì)變量，使得目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小值。

通過(guò)靜態(tài)分析可知，除側(cè)板喉口及與油缸連接位置外，折彎?rùn)C(jī)其余部分應(yīng)力較小，存在優(yōu)化空間。選取側(cè)板喉口半徑R、側(cè)板厚度T和側(cè)板寬度W為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量；對(duì)喉口的最大應(yīng)力及側(cè)板與油缸連接處應(yīng)力作一定的限制，作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件；最終通過(guò)優(yōu)化使得折彎?rùn)C(jī)重量最輕，選取重量WT為目標(biāo)函數(shù)。

喉口半徑R初始值為100mm，為便于上料折彎，設(shè)定R最大值為200mm；側(cè)板厚度T與寬度W的初始值分別為60mm、1545mm，為保證機(jī)身強(qiáng)度及零部件的正確安裝，設(shè)定側(cè)板厚度T最小值為30mm；設(shè)定側(cè)板寬度W的最小值為1300mm。

設(shè)計(jì)變量的范圍構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一類約束及設(shè)計(jì)約束，為保證折彎?rùn)C(jī)的使用要求，對(duì)側(cè)板與油缸連接處應(yīng)力S1和喉口最大應(yīng)力S2作一定的限制，構(gòu)成另一種約束即性能約束。根據(jù)折彎?rùn)C(jī)材料屈服強(qiáng)度為235MPa，考慮安全系數(shù)影響，取S1、S2小于160MPa。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化迭代，加上初始值共獲得八組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表3所示。得到一組最優(yōu)解為R=158.21mm，T=39.6mm，W=1537.8mm，為便于加工對(duì)解進(jìn)行圓整，取R=160mm，T=40mm，W=1540mm。此時(shí)，油缸底部應(yīng)力S1為156.5MPa，喉口最大應(yīng)力S2為99.16MPa，喉口應(yīng)力有所增大，但滿足設(shè)計(jì)使用要求，折彎?rùn)C(jī)重量減輕了14.7%，優(yōu)化效果明顯，材料得到了更好的利用。

表3 優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

圖3 目標(biāo)函數(shù)收斂過(guò)程

（1）參數(shù)化模型在有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)中有著重要的作用，既節(jié)省了修改參數(shù)重新建模的時(shí)間,又具有二次開發(fā)的優(yōu)越性，如優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化方面等。

（2）本文對(duì)折彎?rùn)C(jī)參數(shù)化建模，建立滑塊與工作臺(tái)之間的接觸對(duì)進(jìn)行靜態(tài)分析，并以分析結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕了整機(jī)的重量，剛度也得到保證。通過(guò)分析也表明接觸對(duì)模型優(yōu)化分析可行。

[1] 王 宏，劉 翠.折彎?rùn)C(jī)機(jī)架變形應(yīng)力的有限元分析[J].重型機(jī)械，2004，（5）.

[2] 龔曙光，謝桂蘭，黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009-08.

[3] 潘殿生，潘志華，阮康平.折彎?rùn)C(jī)機(jī)械補(bǔ)償裝置數(shù)值模擬結(jié)果分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44（3）:29-32.

[4] 蔣 晨，陸云祥，湯文成.折彎?rùn)C(jī)機(jī)架體的有限元法參數(shù)化建模及分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2004，（5）.

[5] 周鵬飛，欒伯才，翟東升.基于Optistruct的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)滑塊的拓?fù)鋬?yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（6）:41-43.

[6] 張紅松，胡仁喜，康士廷.ANSYS12.0有限元分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010-01.

[7] 張利偉，王 偉.基于參數(shù)化建模有限元優(yōu)化技術(shù)[J].水利科學(xué)與工程技術(shù)，2008，（2）.

Parametric modeling and optimistic analysis of press brake

PAN Zhihua1，GAO Jianhe2，TIAN Wanying1
（1.Jiangsu Yangli CNC Machine Tool Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China；2.Yangzhou University,Mechanic Engineering College,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

The solid model of the press brake has been established by use of parametric modeling method,as well as the contact pair between the slider and working table.Then linear static analysis has been performed.The design has been optimized on the basis of the parametric model.Taking the connecting stress between the throat and oil cylinder as a constraint condition,the press brake with least weight has been gained though optimization.

Optimized design；Press brake；Parametric modeling

TG315.5+4

B

1672－0121(2011)04－0026－03

2011-03-15

潘志華（1971-），男，高工，副總經(jīng)理，從事數(shù)控鈑金加工機(jī)械研究