銅陽極板壓機(jī)龍門架的有限元分析

楊 釗，孫東明，趙德化，武建華

(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500;2.北方銅業(yè)垣曲冶煉廠，山西 運(yùn)城 044000)

0 前言

銅陽極板在電解的時(shí)候容易產(chǎn)生厚度不均勻、板面結(jié)構(gòu)不規(guī)整等問題，因此必須對(duì)其通過壓機(jī)整形，才能滿足相關(guān)的生產(chǎn)需要。

壓機(jī)作為一種重要的金屬壓力加工裝備，其規(guī)格和制造能力直接反映著一個(gè)國家的工業(yè)生產(chǎn)水平。近年來，隨著我國的機(jī)械制造業(yè)在迅猛的發(fā)展，對(duì)于壓機(jī)的龍門架承載能力和使用壽命也提出了更加嚴(yán)格的要求。

銅陽極板壓機(jī)主要適用于將有色金屬冶煉中電解出來的銅陽極板的吊耳壓平。壓機(jī)龍門架雖然不是一個(gè)很復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但是要在相對(duì)比較惡劣的工作環(huán)境中保證其使用的安全和實(shí)現(xiàn)壓機(jī)的功能，龍門架的可靠性便成為了重中之重。因此，為了保證壓機(jī)龍門架的安全性和可靠性，本文利用Ansys Workbench軟件對(duì)壓機(jī)的龍門架進(jìn)行相關(guān)的有限元分析，主要研究壓機(jī)龍門架在受力時(shí)的形變，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度的校核分析。

1 建立壓機(jī)龍門架的三維模型

壓機(jī)龍門架主要是由底梁、立柱、上橫梁、拉桿、液壓缸等幾部分構(gòu)成。底梁、立柱、上橫梁是空心方管，厚度均為8 mm。由于分析時(shí)只是針對(duì)整個(gè)龍門架的形變和強(qiáng)度進(jìn)行分析，因此建模時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，上橫梁中液壓缸的安裝部位被取代，使上橫梁成為一體的。實(shí)驗(yàn)選擇的是Ansys Workbench 12.1軟件，主要建模由Design-Modeler來完成。對(duì)于簡(jiǎn)單的三維模型創(chuàng)建，盡可能的選擇Ansys Workbench的自帶幾何模型庫進(jìn)行三維建模，以避免當(dāng)模型導(dǎo)入Ansys Workbench時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)使模型更加真實(shí)，分析也更加準(zhǔn)確可靠。對(duì)于稍微復(fù)雜的三維模型的建模，選擇了Sold Edge V20三維建模軟件，建模后將其另存為Parasolid格式，才能順利的將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行有限元分析。其三維模型如圖1所示。

圖1 壓機(jī)龍門架三維模型Fig.1 3D model of the press gantry

2 建立壓機(jī)龍門架的有限元模型

2.1 定義材料的屬性

本文采用的材料是Q235結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量和泊松比分別為E=2.0×1011Pa，μ=0.25。

2.2 在Ansys Workbench中定義模型參數(shù)

2.2.1 定義模型的接觸類型

由于壓機(jī)龍門架是由很多零部件組成的一個(gè)整體，屬于線性靜力結(jié)構(gòu)，所以在進(jìn)行分析時(shí)，必須先定義零部件的接觸類型。在Ansys Workbench中，有結(jié)合、不分離、無摩擦、粗糙、摩擦等五種接觸類型。其中無摩擦、粗糙、摩擦屬于非線性的;結(jié)合、不分離屬于線性的。但是不分離允許接觸面之間有較小的無摩擦的滑動(dòng)，與龍門架的整體結(jié)構(gòu)不符。因此，本模型定義龍門架采用的接觸方式是結(jié)合。在Ansys Workbench軟件中總共定義了134對(duì)接觸關(guān)系。

2.2.2 三維模型的網(wǎng)格劃分

在Ansys Workbench12.1中主要是提供了兩類不同的網(wǎng)格文件，其中包括有限元網(wǎng)格和計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格。有限元分析(FEM)的網(wǎng)格包括機(jī)械動(dòng)力學(xué)(隱式)仿真網(wǎng)格、顯式動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算網(wǎng)格和電磁場(chǎng)仿真網(wǎng)格。而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的網(wǎng)格包括ANSYS CFX計(jì)算的網(wǎng)格和ANSYS FLUENT計(jì)算的網(wǎng)格。

在ANSYS的網(wǎng)格劃分平臺(tái)中，對(duì)于三維模型，ANSYS提供自動(dòng)劃分網(wǎng)格法、四面體劃分網(wǎng)格法、掃掠法、多域法和Hex Dominant法。

本模型壓機(jī)龍門架屬于比較規(guī)則的幾何體，因此采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格法，使模型產(chǎn)生六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后，龍門架有限元模型總共產(chǎn)生了87 143個(gè)節(jié)點(diǎn)和31 554個(gè)單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 龍門架網(wǎng)格劃分后的有限元模型Fig.2 Finite element model of gantry meshing

2.2.3 載荷及約束

由于龍門架是固定在地面上的，因此先將龍門架的兩個(gè)底端加上固定約束(Fixed Support)，該約束限制了龍門架x、y、z方向的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，即限制了龍門架的所有自由度。

壓機(jī)龍門架的工作情況是銅陽極板吊耳置于立柱的墊板上，然后壓機(jī)再進(jìn)行壓平。本文模擬負(fù)載為100 kN，由于液壓缸已經(jīng)被簡(jiǎn)化，而龍門架受力時(shí)是受到液壓缸的方向豎直向下的作用力，而上橫梁則是受到墊板豎直向上的反作用力，二者均為100 kN。

3 三維模型的有限元分析

3.1 求解

使用Ansys Workbench對(duì)加載后的三維龍門架模型進(jìn)行求解，所得到的龍門架受力時(shí)的變形圖如圖3所示。Von-Mises應(yīng)力圖如圖4所示。

圖3 壓機(jī)龍門架受力時(shí)的變形圖Fig.3 Deformation of press gantry

由圖3看出龍門架受力時(shí)，兩根立柱和上橫梁位移比較大，而底梁則是因?yàn)楸还潭?，所以位移為零。由圖4可以看出龍門架受力時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于70 MPa。

圖4 Von-Mises應(yīng)力圖Fig.4 Von-Mises stress diagram

3.2 模型的分析

壓機(jī)龍門架的最大工作載荷為100 kN。在工作中，由于壓機(jī)工作時(shí)液壓桿的速度和加速度都較小，因此，在此模型的分析中，假設(shè)載荷是靜止的，分析就只考慮最大工作載荷對(duì)整個(gè)龍門架的影響，忽略龍門架的自重和載荷加速啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性載荷的影響。

對(duì)整個(gè)龍門架在Ansys Workbench中進(jìn)行有限元分析時(shí)，分析的結(jié)果中位移單位是mm，應(yīng)力單位是MPa，載荷單位是N。

由龍門架的變形圖圖3可知，龍門架上橫梁由于受到壓力，從而有拱形的變形，而最大的變形位置則是位于上橫梁中間處，最大的變形值為0.862 mm。圖4則是龍門架的等效應(yīng)力圖，由該圖可知，龍門架的最大應(yīng)力值為67.853 MPa，龍門架的材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼。這種材料的屈服應(yīng)力σs=235 MPa，由此可見，該結(jié)構(gòu)在受力后，強(qiáng)度還是符合安全生產(chǎn)要求的。

4 結(jié)論

通過對(duì)壓機(jī)龍門架的三維建模和有限元分析后，得出以下結(jié)論:

(1)龍門架的強(qiáng)度和剛度是符合實(shí)際的生產(chǎn)要求的。

(2)龍門架的應(yīng)力分布是不太均勻的，上橫梁中間有較大的應(yīng)力，立柱的應(yīng)力也是集中在上半部分，而下半部分的應(yīng)力基本為0 MPa，因此可以通過對(duì)龍門架的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來改善該結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

［1］崔明亮.大型模鍛液壓機(jī)機(jī)架疲勞壽命研究［D］.碩士學(xué)位論文，2012.

［2］趙德化，康貴榮，孫健，等.銅陽極板整形機(jī)組的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與思考［J］.新技術(shù)新工藝，2013(4):72－75.

［3］李華，李世蕓.Solid Edge V18［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［4］馬曉明，姚振強(qiáng).大跨度門式鋼架結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008(6):72－74，88.

［5］韓曉強(qiáng)，申進(jìn)杰.基于ANSYS的偏光片切片機(jī)龍門架的有限元分析［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2010(6):54－55，57.

［6］杜群貴，杜業(yè)威.龍門架鋼結(jié)構(gòu)有限元分析及其技術(shù)處理［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2006(6):10－12.

［7］湯德英.鋼龍門架的設(shè)計(jì)［J］.福建建筑，2001(1):30－32.

［8］鄭夕健，謝正義，張國忠.有限元單元在塔機(jī)分析中的應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械化，2007(2):33－35.

［9］胡偉，劉剛，周于海.基于ANSYS的甲板起重機(jī)主結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2007，31(1):176－179.

［10］馬霄.基于ANSYS的旋臂起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析［J］.煤礦機(jī)械，2004(2):63－65.