多聯(lián)硫化機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

韓露，趙振興，陳謙，呂柏源

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266042)

多聯(lián)硫化機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

韓露，趙振興，陳謙，呂柏源

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266042)

機(jī)架是多聯(lián)硫化機(jī)所有零件的裝配基體，是硫化機(jī)的主要受力部位，其強(qiáng)度和剛度不僅影響硫化機(jī)的壽命，而且影響鎖模精度。本文采用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，以有限元分析的結(jié)果為基礎(chǔ)，提出4種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并分別進(jìn)行分析，得到較優(yōu)的方案，在滿足工程要求的情況下，可節(jié)省8.7%的鋼材。

多聯(lián)硫化機(jī)；機(jī)架；ANSYS；靜力分析；優(yōu)化設(shè)計

硫化機(jī)是橡膠制品制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，鎖模力和對中精度是硫化機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，硫化機(jī)的機(jī)架是保證鎖模力均勻穩(wěn)定和良好對中性的關(guān)鍵，機(jī)架變形量過大或不均勻, 將影響合模精度, 從而影響制品質(zhì)量和性能。

本文設(shè)計的多聯(lián)硫化機(jī)為整體式[1]，其機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包含上橫梁、側(cè)板、公用板、下橫梁，在硫化機(jī)工作時，下橫梁固定在基座上，受力可忽略不計，而鎖模力的反力作用在上橫梁上，側(cè)板和公用板通過與上橫梁之間的閂鍵連接而間接受鎖模力作用。本文將采用有限元分析軟件ANSYS對這三個主要受力部件進(jìn)行有限元應(yīng)力、應(yīng)變等靜力特性分析。實現(xiàn)機(jī)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，解決其剛度、強(qiáng)度等靜力特性與質(zhì)量、造價等資源之間的矛盾，以達(dá)到降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

圖1 多聯(lián)硫化機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

1 理論分析

有限元方法的基本思想[2]是：將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。對于四面體單元，利用虛功原理將單元所受的外載荷轉(zhuǎn)化為等效載荷，其理論公式如下：

單元剛度矩陣：

集中力的等效結(jié)點載荷：

表面力的等效結(jié)點載荷：

體積力的等效結(jié)點載荷：

2 幾何模型建立

由于硫化機(jī)機(jī)架[3]模型比較復(fù)雜，因此采用三維設(shè)計軟件SolidWorks對機(jī)架進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ANSYS中。同時為縮小計算規(guī)模且保證計算精度，在建模時對機(jī)架模型進(jìn)行了簡化，這樣劃分網(wǎng)格后不但單元數(shù)量相對減少，而且采用單元的形態(tài)也相對簡單。簡化處理如下：①由于機(jī)架是焊接組合結(jié)構(gòu)，且本文重點不是分析焊縫處的應(yīng)力，因此可將機(jī)架各部件視為理想焊接， 即將機(jī)架的各部件三維模型按單一零件建模并單獨(dú)分析、整體優(yōu)化。②忽略螺紋和圓角。③對稱部分取1/2進(jìn)行分析。

3 材料的力學(xué)特性

本文中機(jī)架采用的是Q235A普通鋼板焊接而成，其材料參數(shù)如表1所示：

表1 力學(xué)屬性

4 上橫梁部件有限元分析

上橫梁的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由底板、頂板、端板、腹板焊接在一起組成的一個密閉箱型梁[4]，其內(nèi)部焊接有“米”字型肋板以降低整個結(jié)構(gòu)的變形量，中間位置裝有套筒。由于上橫梁關(guān)于中心面對稱，因此取上橫梁的1/2進(jìn)行有限元分析，可以一定程度的減少計算量、縮短計算時間，模型如圖3所示。

圖2 上橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 定義單元類型并劃分網(wǎng)格

進(jìn)行有限元分析時，結(jié)果的精確度主要取決于結(jié)構(gòu)單元類型的選擇和網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度，其中單元類型的選擇尤為重要。合理的單元類型[5]選擇不僅使后處理簡單，耗費(fèi)機(jī)時少，易于實現(xiàn)，而且計算精度高，具有實用價值。本次分析采用高階的三維20節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元SOLID95，在ANSYS15.0中可使用命令流調(diào)出，此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會降低精確性，可更好的適應(yīng)智能網(wǎng)格劃分。采用自由網(wǎng)格劃分方法對上橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在應(yīng)力集中的位置（如鍵槽處）進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，更真實地反映實際受力情形，劃分過的模型如圖4所示。

4.2 定義約束條件并施加載荷

當(dāng)多聯(lián)硫化機(jī)五個工位完全鎖模時，上橫梁受到的作用力最大，即為鎖模力的反作用力。同時，上橫梁受到左右側(cè)板和公用側(cè)板的約束作用，視上橫梁上各個鍵槽為約束邊界，施加X、Y、Z方向的全約束。單個工位受力為F=1 454.4 kN,根據(jù)實際情況視載荷均勻分布作用于上橫梁的加強(qiáng)環(huán)的環(huán)面上（S1=49 278.375 mm2），所以表面載荷Q1為：

圖3 上橫梁模型

圖4 上橫梁網(wǎng)格劃分

4.3 求解與結(jié)果分析

采用ANSYS直接解法求解，求解結(jié)果如表2所示，由圖5可知，Y方向位移最大為0.236 mm，在上橫梁左右兩工位的套筒和加強(qiáng)環(huán)位置，中間三工位變形量一致，符合實際工作時的變形趨勢，結(jié)果也比較合理。由圖6可知，最大應(yīng)力發(fā)生上橫梁左右兩側(cè)的套筒處，此位置為應(yīng)力集中部位，最大應(yīng)力為121 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限235 MPa，滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

表1 機(jī)架分析結(jié)果

圖5 上橫梁位移分布圖

圖6 上橫梁應(yīng)力分布圖

5 側(cè)板有限元分析

側(cè)板是機(jī)架的主要組成部分，是給上橫梁提供約束，保證機(jī)架穩(wěn)定，也是機(jī)架的主要受力部位，側(cè)板的強(qiáng)度、剛度性能，直接影響機(jī)架的整體性能。其結(jié)構(gòu)模型如圖7所示，長為1 425 mm，寬為600 mm，板厚為35 mm，筋長為855 mm，寬為30 mm，高為30 mm。因左右側(cè)板受力相同，故只取左側(cè)板進(jìn)行有限元分析。

單元類型和網(wǎng)格劃分和分析上橫梁時相同，結(jié)果如圖8所示。因側(cè)板的受力部位為上端鍵槽的上側(cè)面和下端鍵槽的下側(cè)面，通過螺栓固定在上橫梁和底板上，所以在下端鍵槽和螺栓孔部位添加相應(yīng)約束，在上端鍵槽的上側(cè)面施加均布載荷，載荷為：

圖7 側(cè)板模型

圖8 側(cè)板網(wǎng)格劃分

求解結(jié)果如圖9和圖10所示，由圖9位移分布圖可知，最大位移發(fā)生在鍵槽上端內(nèi)表面，最大位移為0.274 mm，與實際工作時的變形趨勢相符合，結(jié)果也比較合理。由圖10應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在鍵槽根部的應(yīng)力集中部位，最大應(yīng)力為152 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 位移分布圖

圖10 應(yīng)力分布圖

6 公用板有限元分析

公用板是兩個工位之間的公用部件，使用公用板可以將單個的硫化機(jī)聯(lián)立在一起，組成一個多聯(lián)硫化機(jī)，不僅能使硫化機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊、更穩(wěn)定，還能節(jié)省大量鋼材。其結(jié)構(gòu)尺寸如圖11所示。

圖11 公用板結(jié)構(gòu)尺寸圖

因其分析過程與側(cè)板類似，為節(jié)省篇幅現(xiàn)直接給出分析結(jié)果。由圖12位移分布圖可知，最大位移發(fā)生在公用板上端中部，最大位移為0.259 mm，與實際工作時的變形趨勢相符合，結(jié)果也比較合理。由圖13應(yīng)力分布圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在鍵槽根部的應(yīng)力集中部位，最大應(yīng)力為144 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。

7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖12 位移分布圖

圖13 應(yīng)力分布圖

由上述分析結(jié)果可知，本機(jī)架的強(qiáng)度和剛度基本滿足工作需要，但還存在一些不足之處，如：側(cè)板和公用板的應(yīng)變不一致，影響合模精度、存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。現(xiàn)對機(jī)架一些非主要受力部位進(jìn)行一些優(yōu)化，優(yōu)化因素分別為：上橫梁底板、頂板、端板、腹板厚度（δ1），肋板寬度（B）；側(cè)板厚度（δ2），筋高（h1）；公用板厚度（δ3），筋高（h2）。優(yōu)化方案如表3所示。

表3 優(yōu)化方案

優(yōu)化結(jié)果如表4所示，通過對比分析方案四中左右側(cè)板和公用板的位移量相近約為0.32 mm，機(jī)架總體位移量約為0.62 mm，滿足鎖模精度的要求；機(jī)架最大應(yīng)力為170 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足強(qiáng)度要求。優(yōu)化后機(jī)架的總質(zhì)量為6 599.248 kg，可 節(jié)約了8.7%的鋼材。

表4 優(yōu)化結(jié)果

8 結(jié)束語

本文對多聯(lián)硫化機(jī)機(jī)架進(jìn)行了有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

(1)優(yōu)化后左右側(cè)板和公用板的位移量基本一致，提高了鎖模精度。

(2)優(yōu)化后機(jī)架總質(zhì)量下降了8.93%，節(jié)省了成本。

(3)在節(jié)省成本的前提下，機(jī)架強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計要求，達(dá)到了優(yōu)化的目的。也為類似的機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了一種可行的解決方案。

[1] 郝為建，胡麗娟，孫凱，等.電動螺旋輪胎定型硫化機(jī)側(cè)板的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].橡膠工業(yè)，2008,55(5):302～305.

[2] 危衛(wèi)華，呂柏源.電動輪胎定型硫化機(jī)側(cè)板的有限元分析[J].橡塑技術(shù)與裝備，2005,31(3):1～3.

[3] 顧祥軍，張維強(qiáng).基于ANSYS的剪板機(jī)機(jī)架有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010,10（2）：476～478.

[4] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[5] 劉浩等.ANSYS 15.0 有限元分析從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Structural optimization design of the frame of multi-link curing machine

Han Lu, Zhao Zhenxing, Chen Qian, Lv Boyuan
(Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, Shandong, China)

The frame is the base of the assembly of all the parts of the machine, and it is the main stress parts of the curing machine. The strength and rigidity of the frame affect not only the service life of the curing machine, but also precision of mold clamping. In this paper, the ANSYS f nite element analysis software is used to carry out the static analysis of the frame. Based on the results of finite element analysis, this paper puts forward 4 kinds of structural improvement solutions, and analyzes respectively to obtain a better one. In the case of meeting the requirements of the project, 8.7% of the steel can be saved.

multi-link curing machine; frame; ANSYS; static analysis; optimized design

TQ323.5

1009-797X(2016)24-0079-05

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.024

(R-03)(R-03)

韓露（1989-），男，在讀碩士研究生，主要從事高分子機(jī)械加工技術(shù)與設(shè)備方面的研究。

2016-11-18