基于Solidworks龍門橫梁的有限元分析及優(yōu)化

劉光利，李慶華

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于Solidworks龍門橫梁的有限元分析及優(yōu)化

劉光利1，李慶華2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

利用三維軟件Solidworks建立新型龍門自動(dòng)焊接機(jī)，針對(duì)龍門架的關(guān)鍵部件龍門橫梁，應(yīng)用有限元分析方法對(duì)其受力最危險(xiǎn)的位置進(jìn)行靜態(tài)分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抽殼優(yōu)化。在其外形結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，對(duì)龍門橫梁內(nèi)部添加加強(qiáng)筋以增加其剛度和強(qiáng)度，使龍門橫梁質(zhì)量減少了57%，強(qiáng)度和剛度分別提高了20%和36%，為進(jìn)一步研究龍門自動(dòng)焊接機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

焊接機(jī);龍門;有限元分析;優(yōu)化

0 引言

焊接是加工生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要工作，是加工工藝中不可或缺的一部分，但是由于科學(xué)技術(shù)和工作條件的限制，從事焊接工作的人越來越少，因此在實(shí)際生產(chǎn)加工中對(duì)自動(dòng)焊接機(jī)的需求就越來越大，為滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，許多企業(yè)都投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行自動(dòng)焊接機(jī)的研究與生產(chǎn)。龍門式自動(dòng)焊接機(jī)是自動(dòng)焊接機(jī)的一種主要的結(jié)構(gòu)形式［1］，占到自動(dòng)焊接機(jī)整體的40%以上。國(guó)外的龍門焊接機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很成熟的水平，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)的龍門自動(dòng)焊接機(jī)在結(jié)構(gòu)形式以及剛度和強(qiáng)度上有一定的差別。本文結(jié)合龍門自動(dòng)焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)，在滿足實(shí)際的生產(chǎn)強(qiáng)度下，對(duì)龍門橫梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為龍門焊接機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

1 龍門焊接機(jī)龍門架的結(jié)構(gòu)

龍門焊接機(jī)龍門架主要由立柱、龍門、絲杠、焊接電源以及滑板組成，圖1所示為利用Solidworks建立的新型龍門焊接機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)，該龍門焊接機(jī)在x、y的行程分別是1500mm和2000mm，其中龍門通過立柱絲杠實(shí)現(xiàn)y方向的運(yùn)動(dòng)，通過龍門絲杠實(shí)現(xiàn)x方向的運(yùn)動(dòng)，焊接電源固定在立柱的一側(cè)，龍門除了承受本身的重量以外，還主要承受焊槍、送絲機(jī)構(gòu)、CCD攝像機(jī)、龍門絲杠，導(dǎo)軌、滑板等的重量，最大載荷大約為3000kg。

圖1 龍門焊接機(jī)龍門架結(jié)構(gòu)

2 龍門橫梁有限元分析［2］

目前的龍門焊接機(jī)的龍門大部分都是實(shí)體的，實(shí)體龍門為整個(gè)焊接機(jī)提供了良好的剛度和強(qiáng)度，但同樣也增加了龍門的自身重量。為改善龍門焊接機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，減輕龍門重量，本文結(jié)合龍門焊接機(jī)的工作實(shí)際，在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，對(duì)龍門橫梁實(shí)體內(nèi)部抽殼，抽殼壁厚為40mm，結(jié)合橫梁的受力情況，對(duì)橫梁抽殼前后進(jìn)行了有限元受力分析，工程中龍門橫梁材料大多采用的是鑄造碳鋼，因而分析時(shí)鑄造碳鋼的最大屈服強(qiáng)度為2.48×108N/m2，圖2和圖3所示為抽殼前后龍門橫梁的應(yīng)力變化圖和位移變化圖。對(duì)比圖2和圖3可知，抽殼前后的應(yīng)力和位移有了明顯的變化，抽殼后龍門的最大應(yīng)力增加了5%，最大位移增加了300%，同時(shí)龍門的重量也減少了57%，最大應(yīng)力的變化最小，最大位移的變化最大，同時(shí)可以看出在焊接過程中，當(dāng)滑板移動(dòng)到橫梁中間位置時(shí)龍門橫梁是最危險(xiǎn)的。

圖2 實(shí)體龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

圖3 抽殼后龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

3 龍門橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ［3，4］

在上面分析的基礎(chǔ)上為改善位移變大的不足，提高龍門的強(qiáng)度和剛度，本文對(duì)抽殼后的龍門橫梁內(nèi)部添加了加強(qiáng)筋。工程中加強(qiáng)筋的類型主要的有三角形筋、梯形筋和H型筋等多種，根據(jù)該龍門焊接機(jī)龍門架工作的實(shí)際情況，選用梯形筋和H型筋進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合圖2和圖3所分析的橫梁位移變化情況，將加強(qiáng)筋設(shè)置在橫梁中間處，即橫梁受力最大處，加強(qiáng)筋的形式以及安裝位置如圖4所示。設(shè)計(jì)安裝加強(qiáng)筋后，對(duì)兩種加強(qiáng)筋的橫梁分別進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖5和圖6，圖5和圖6分別為添加梯形筋和H型筋后龍門橫梁受力的應(yīng)力變化圖和位移變化圖。

圖4 筋的型狀及安裝位置

圖5 H型筋龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

圖6 梯形筋龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

比較圖3和圖5、圖3和圖6可知，抽殼后添加梯形筋的龍門橫梁最大應(yīng)力和最大位移比抽殼前分別減少了14%和54%，添加H型筋的龍門橫梁分別減少了18%和70%。再比較圖5和圖6可知H型筋更能增強(qiáng)該龍門橫梁的強(qiáng)度和剛度。

4 加強(qiáng)筋不同分布形式 ［5－6］

針對(duì)H型加強(qiáng)筋，采用不同分布形式對(duì)龍門橫梁的剛度和強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析比較，分析結(jié)果如圖7和圖8，圖7和圖8分別是添加三個(gè)加強(qiáng)筋和七個(gè)加強(qiáng)筋的應(yīng)力變化圖和位移變化圖。

圖7 三個(gè)H型加強(qiáng)筋龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

圖8 七個(gè)H型加強(qiáng)筋龍門橫梁受力的應(yīng)力圖和位移圖

比較圖5和圖7可知，添加三個(gè)筋的龍門橫梁比添加一個(gè)筋的龍門橫梁在最大應(yīng)力和最大位移上有很大的改善，而由圖7和圖8比較可知，當(dāng)筋的個(gè)數(shù)大于三個(gè)時(shí)添加的筋對(duì)龍門的剛度及強(qiáng)度影響很小。比較圖2和圖7可知，抽殼并增加三個(gè)H型加強(qiáng)筋后，橫梁的最大應(yīng)力由9.77×107N/m2變?yōu)?.80×107N/m2，最大位移由4.241×10－5mm變?yōu)?.682×10－15mm，雖然優(yōu)化后的龍門橫梁質(zhì)量減少了57%，但剛度和強(qiáng)度分別提高了20%和36%。

5 結(jié)語

上述理論分析工作表明，在設(shè)計(jì)龍門自動(dòng)焊接機(jī)橫梁時(shí)，采用H型加強(qiáng)筋優(yōu)化龍門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這樣既節(jié)省了材料，由降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)不影響橫梁的強(qiáng)度和剛度，這為實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)龍門焊接機(jī)橫梁奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 高翔，趙學(xué)功，張培信.四軸聯(lián)動(dòng)弧焊機(jī)床的研制［J］.焊接技術(shù)，1996(2):21－22.

［2］ 關(guān)英俊，母德強(qiáng)，趙楊，等.GMCU2060龍門加工中心橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.機(jī)床與液壓，2011(6):132－135.

［3］ 陳朝祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ 張華，李育文，王立平，等.龍門式混聯(lián)機(jī)床的靜剛度分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，4(2):180－189.

［5］ 江愛川.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1986.

［6］ 劉鴻文.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

Finite Element Analysis and Optimization of Gantry Beam Based on Solidworks

LIU Guang-li1，LI Qing-hua2

(1.College of Mechanical and Electric Engineening，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Mechanical Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

The new structure of gantry automatic welder is designed by using the Solidworks of 3D software.The gantry beam，which is the key part of the gantry frame is given a static analysis on the most dangerous position with the finite，and its structure is shelled and optimized.Without changing the geometric size of the gantry beam and increasing the stiffness and strength of gantry beam by adding the strengthening ribs to gantry beam internally，the quality of the gantry decreases by 57%，the stiffness and strength increase by 20%and 36%respectively，which laid the foundation for the further study of the gantry automatic welder.

welder;gantry;finite element analysis;optimization

TH122

A

1009－3907(2012)08－0915－03

2012-05-05

劉光利(1986-)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化技術(shù)研究;李慶華(1968-)，男，吉林蛟河人，副教授，博士，主要從事機(jī)械測(cè)控及機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)研究。

責(zé)任編輯:吳旭云