基于ANSYS與SOLIDWORKS的合模機構(gòu)曲肘有限元分析

張 鎬， 李明輝， 李 艷

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

全電動注塑機具有節(jié)能低噪、綠色環(huán)保以及高重復(fù)精度、維修方便、高可靠性等優(yōu)點，完全主導(dǎo)了近年來國內(nèi)國際注塑機的發(fā)展趨勢.它采用先進的全數(shù)字伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過伺服電機、滾珠絲杠等精密傳動件驅(qū)動成型工藝的各種動作[1,2].

目前國內(nèi)小型電動注塑機的合模機構(gòu)大多采用“伺服電動機-同步帶-滾珠絲杠-雙曲肘合模機構(gòu)”這樣一種標準式設(shè)計方案(如圖1所示)[3，4].該機構(gòu)工作時，由鎖模伺服電動機通過同步帶減速傳動，帶動與帶輪配合的滾珠絲杠，進而推動十字頭，十字頭通過雙曲肘機構(gòu)帶動動模板做合模運動.當機構(gòu)運動到終點前某一位置時，模具剛好碰上，機構(gòu)繼續(xù)運動，迫使合模機構(gòu)零件發(fā)生彈性變形，從而在模具間產(chǎn)生足夠的鎖模力.運動終止時，機構(gòu)處于自鎖狀態(tài).

曲肘合模機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，具有比較大的增力倍數(shù)，能夠快速實現(xiàn)啟閉模運動，而且能夠在達到最大合模力的時候?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)自鎖，理論上提供足夠大的鎖模力，完全符合合模工藝要求.由于曲肘機構(gòu)要承受較大的合模力，對曲肘機構(gòu)的剛度和強度要求相應(yīng)增加.曲肘機構(gòu)受力最復(fù)雜的零件是曲肘.在設(shè)計曲肘時，我們的普遍做法是根據(jù)力學(xué)理論和經(jīng)驗，將曲肘假設(shè)為理想的模型，對其進行靜力學(xué)計算，這樣得到的結(jié)果具有一定的參考價值，但是不能精確反映曲肘各個微小部分的受力及變形，與曲肘實際工作狀態(tài)有一定的誤差，對于提高設(shè)計精度和產(chǎn)品質(zhì)量，有一定的影響.

為了將機構(gòu)設(shè)計的誤差降低到最小，本文就這個問題做了以下兩個方面的研究，以達到提高設(shè)計精度和產(chǎn)品質(zhì)量的目的.(1)先通過理論分析曲肘合模機構(gòu)，得到其力學(xué)和機構(gòu)學(xué)計算公式；(2)通過理論分析，結(jié)合實際使用要求設(shè)計曲肘合模機構(gòu)，并對關(guān)鍵零件曲肘進行三維建模，然后對其進行有限元分析，得到曲肘詳細的應(yīng)變和應(yīng)力結(jié)果，以驗證理論分析是否正確合理，進而為曲肘機構(gòu)設(shè)計提供更為精確的理論依據(jù)[5-7].

1.同步帶 2.后模板 3.合模伺服電機 4.滾珠絲杠 5.曲肘機構(gòu) 6.十字頭 7.動模板 8.哥林柱 9.前模板 圖1 伺服電機-同步帶-滾珠絲杠-雙曲肘合模式

1 雙曲肘合模機構(gòu)設(shè)計

1.1 雙曲肘合模機構(gòu)的運動行程

雙曲肘機構(gòu)由對稱布置的兩套曲肘機構(gòu)組成，為了簡化，只對一邊曲肘進行研究分析.一邊曲肘機構(gòu)可以分解為兩套曲柄連桿機構(gòu)：一套是l1、l2所組成的兩板滑塊機構(gòu)；另一套是由l3、l4和活塞桿及其頂角所組成的曲柄滑塊機構(gòu).圖2所示為機構(gòu)在任意位置(虛線部分)和極限位置(實線部分)時(α=0、φ=φmax)的示意圖.

圖2 曲肘機構(gòu)

首先對圖2進行機構(gòu)學(xué)分析，將各個構(gòu)件在軸向投影可得：

Sm(α)=(l1+l2)cosγ0-[l2cosβ-l1cos(ξ+θ)]

(1)

S0(α)=l4(cosφ-cosφmax)+l3[cos(θ+γ0)+cosξ]

(2)

或

-cos(γ0+α)+cosγ0

(3)

S0(α)=l3[cos(θ+γ0)-cos(θ+γ0+α)〗-1λ2(cosφmax-cosφ)

(4)

當十字頭(圖中E點)運動至離后模板最近的位置，可得機構(gòu)的后極限位置，此時前曲肘l1與大連桿l2成一線，機構(gòu)自鎖.如圖3所示：

圖3 后極限位置

通過極限位置的機構(gòu)學(xué)分析可以得出最大行程S0max和Smmax.

-cos(γ0+αmax)+cosγ0

(5)

S0max=l3[cos(γ0+θ)-cos(γ0+θ+αmax)]

(6)

從式(3)、(4)、(5)、(6)分析可知：

(1)S0、Sm分別是α的函數(shù)，S0由l3及λ2所決定，l3增大，λ2增大，則S0減??；Sm由l1及λ1所決定，l1增大，λ1增大，則Sm減小.

即只需選定合適的l1和λ1，即可設(shè)計滿足模板行程要求的機構(gòu).

(2)Smmax、S0max在機構(gòu)的前、后極限位置可得到.即φ=φmax、α=0及φ=φξ、α=αmax，即l1、l2伸直的位置和l3、l4伸直的位置.

1.2 行程比Ms(α)

行程比即動模板行程與十字頭行程之比，由以上分析可以得出：

(7)

(8)

1.3 速度比Mv(α)

速度比即模板速度與十字頭速度之比：

(9)

1.4 機構(gòu)力的放大比MP(α)

根據(jù)能量守恒定律：

v0(α)·P0(α)=vm(α)·Pm(α)

(10)

(11)

式中：P0-十字頭推力.

由公式(7)和公式(10)可以看出，機構(gòu)行程比Ms(α)和機構(gòu)力的放大比MP(α)互成反比關(guān)系，即機構(gòu)行程比和力的放大比是矛盾關(guān)系.對機構(gòu)進行設(shè)計時，要綜合兩方面的要求，做出最經(jīng)濟的選擇.

2 曲肘有限元靜力學(xué)分析

鑒于以上理論分析計算，按合模力100 KN計算出能夠滿足需要的曲肘合模機構(gòu).該機構(gòu)是用于試驗的樣機，為了降低成本，在滿足機構(gòu)需要的前提下對各部分零件進行了簡化，并用三維軟件Solidworks進行了虛擬樣機的建模，如圖4所示.

圖4 雙曲肘合模機構(gòu)虛擬樣機

2.1 建模

Ansys軟件建模具有局限性，不采用Ansys軟件建模，而是利用Ansys軟件和Solidworks軟件的數(shù)據(jù)接口直接將三維軟件Solidworks所建曲肘模型導(dǎo)入到Ansys軟件中，以彌補Ansys軟件建模的不足.Solidworks軟件建立的曲肘模型如圖5所示：

圖5 曲肘三維模型

2.2 模型導(dǎo)入

在Solidworks軟件與Ansys軟件之間有良好的無縫連接數(shù)據(jù)接口.具體操作為：單擊Solidworks軟件界面菜單中Ansys11.0 的下拉菜單Workbench，即可啟動Ansys Workbench，并直接導(dǎo)入在Solidworks軟件中建立的三維模型.對Ansys Workbench求解進行初始化設(shè)定，即可進入分析界面[8].

2.3 定義材料

曲肘材料為45鋼，其力學(xué)性能如表1所示：

表1 材料力學(xué)性能

2.4 劃分網(wǎng)格

在Ansys Workbench中，不需要去指定單元體類型，系統(tǒng)默認有限元模型的單元類型為三維實體單元Solid45.網(wǎng)格劃分模型如圖6所示：

圖6 曲肘網(wǎng)格模型

2.5 施加約束和載荷

圖7 曲肘受力

曲肘合模機構(gòu)在實際工作中，合模啟動時所受載荷最大，此時曲肘處于合模起始位置，在合模力作用下，計算出曲肘受力情況如圖7所示：

表2 曲肘A點和B點受力數(shù)據(jù)(單位：KN)

將表2中的力加載到模型上，然后對曲肘進行約束.約束情況為：O點X、Y方向固定，可以繞Z軸旋轉(zhuǎn)，A點、B點自由.

2.6 分析求解

對曲肘進行靜力分析的結(jié)果如圖8、圖9所示：

圖8 曲肘靜力分析應(yīng)變圖

圖9 曲肘靜力分析應(yīng)力圖

圖10 曲肘應(yīng)力-應(yīng)變圖

由以上分析可知，曲肘最大應(yīng)變?yōu)?.001 32 mm，最大應(yīng)力為264.94 Mpa，應(yīng)力-應(yīng)變圖近似一條直線(如圖10所示)，均在材料的許用范圍之內(nèi).兩者最大值都發(fā)生在曲肘連接的尺寸過渡處，為了提高曲肘安全系數(shù)，在制造時有必要對該處的加工

提高要求，并做相應(yīng)的熱處理[9,10].

3 結(jié)束語

通過以上分析可以得到以下結(jié)論；

(1)理論分析為我們提供了設(shè)計依據(jù)，結(jié)合有限元分析軟件Ansys與三維建模軟件Solidworks驗證了理論分析的正確性.

(2)利用Ansys和Solidworks之間良好的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了模型數(shù)據(jù)的無縫連接，避免丟失數(shù)據(jù)，并且有效的彌補了Ansys軟件建模的不足，提高了設(shè)計的可靠性.

(3)從靜力學(xué)分析結(jié)果來看，曲肘的薄弱部位是其尺寸過渡處，與實際工作狀況相符，求出了曲肘應(yīng)變和應(yīng)力結(jié)果分布，為曲肘機構(gòu)的設(shè)計提供了更為可靠的理論依據(jù).

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