基于NX的空調(diào)翅片高速沖壓自動生產(chǎn)線廢料斗流體分析與優(yōu)化

潘龍飛，劉衛(wèi)迪，楊洋，余輝，宋健友

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225128）

基于NX的空調(diào)翅片高速沖壓自動生產(chǎn)線廢料斗流體分析與優(yōu)化

潘龍飛，劉衛(wèi)迪，楊洋，余輝，宋健友

（揚(yáng)州鍛壓機(jī)床股份有限公司，江蘇揚(yáng)州225128）

介紹了廢料斗NX有限元分析中常用的流體分析方法。以空調(diào)翅片高速沖壓自動生產(chǎn)線廢料斗為分析對象，闡述流體分析的一般步驟，通過流體運動仿真，找出空氣逆流的原因，并對原有模型進(jìn)行優(yōu)化，以消除空氣逆流的影響，保證廢料順利排出。進(jìn)而求解模型結(jié)構(gòu)的工況模態(tài)，模擬出模型前4階固有頻率和相應(yīng)的振型，分析振動對零件使用的影響。

沖壓生產(chǎn)線；廢料斗；NX；流體分析；模態(tài)分析；空調(diào)翅片

空調(diào)翅片高速沖壓自動生產(chǎn)線（以下簡稱“翅片沖”）是制冷行業(yè)翅片生產(chǎn)的專用生產(chǎn)線，由展料架、過油裝置、氣動初始送料、閉式高速精密壓力機(jī)、吸料、集料裝置、電氣控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)組成；空調(diào)翅片因其自身結(jié)構(gòu)特點，沖壓過程產(chǎn)生較多廢料，為提高生產(chǎn)效率，保證落料通暢，用戶可選配自動吹廢料裝置。自動吹廢料裝置由吹廢料風(fēng)機(jī)、廢料斗、吸塵軟管、集廢料小車組成。工作時由電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定速度的流體（介質(zhì)為空氣），流體以速度V進(jìn)入自動吹廢料裝置主體，經(jīng)過固定在翅片沖底座上的廢料斗，廢料斗具有傾斜一定角度的3個落廢料口，因此，流體在廢料口的導(dǎo)流作用下運動速度矢量發(fā)生改變，在自動吹廢料裝置主體腔內(nèi)作一定規(guī)律的曲線運動，將沖裁過程中產(chǎn)生的廢料吹送至集廢料小車，完成自動吹廢料的過程。

本文以公司的翅片沖廢料斗為分析對象，運用NX Flow求解器對其進(jìn)行流體運動曲線分析，并對流體運動曲線優(yōu)化。廢料斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 廢料斗結(jié)構(gòu)示意圖

1 NX Flow求解器說明

NX流體運動仿真是屬于計算流體力學(xué)（CFD）的解算方案范疇。在運用NX Flow求解器進(jìn)行求解之前，首先需要對流體力學(xué)方程進(jìn)行設(shè)定。【NX Flow】提供6種【湍流模型】，分別是【層流】、【固定湍流粘滯度】、【混合長度】、【K-Epsilon】、【K-Omega】以及【切應(yīng)力傳輸-SST】。本實例將選用【混合長度】，混合長度模型有時稱為代數(shù)模型，它在許多應(yīng)用中都會提供較好的結(jié)果。設(shè)定完流體力學(xué)方程，可根據(jù)實際要求設(shè)置流體力學(xué)方程的初始條件和邊界條件?！綨X Flow】提供的初始條件有【初始溫度】、【初始流體壓力-3D流】、【初始流體速度-3D流】、【初始流體湍流-3D流】、【初始濕度-3D流】和【初始標(biāo)量-3D流】。本實例流體屬于定常流類型，不需設(shè)置初始條件；邊界條件就是流體運動邊界上控制方程應(yīng)該滿足的條件?！綨X Flow】提供的邊界條件包括【管流邊界條件】、【流道阻塞】、【流邊界條件】、【流動面】、【移動參考框】、【周期性邊界條件】、【超音速入口】和【對稱平面】等。本實例將在【流邊界條件】中設(shè)定邊界條件。

2 模型分析

廢料斗由落廢料口、排屑管道組成，使用鈑金件焊接而成。本次分析采用NX建模，對廢料斗中M20以下的螺紋孔作簡化處理，簡化后的廢料斗模型如圖2所示。

圖2 廢料斗模型圖

流體分析與結(jié)構(gòu)分析不同，分析的對象是流體。對于物理模型而言，一般的結(jié)構(gòu)體才是實體，而流體是作為腔體或外部空間存在的。因此，創(chuàng)建有限元模型之前首先需要建立計算域，管內(nèi)流是管內(nèi)的腔體空間，管外流是計算的外部空間區(qū)域。對于本實例模型，由于流體（介質(zhì)為空氣）在廢料斗主體內(nèi)運動，外部受到壁面的約束，因此屬于內(nèi)部流。對流體賦予材料和網(wǎng)格劃分，必須對模型進(jìn)行理想化處理，將流體實體化。在NX建模環(huán)境下，首先選擇【有界平面】特征，將廢料斗中落廢料口、送風(fēng)口、出廢料口作片體封閉處理；然后在【抽取體】特征中將廢料斗內(nèi)部腔體面抽取出來；最后將前兩步生成的片體【縫合】，隱藏落料斗模型，最終得出流體分析的計算域，流體實體化模型如圖3所示。

廢料斗流體分析計算域材料為Air，動力粘度為1.85e-8kg/mm-sec，摩爾質(zhì)量0.02897kg，氣體常數(shù)為2.87e8microJ/kg-K。流體分析中采用TET4單元。

圖3 廢料斗流體分析計算域

3 流體分析

3.1 前處理

本次分析中，在【流邊界條件】中設(shè)置送風(fēng)口為【入口流】，流速50m/s，流路方向垂直于面，均勻分布；落廢料口、出廢料口設(shè)置為【開口】，流路方向垂直于面，均勻分布。對于未設(shè)置邊界條件的多邊形面，【NX Flow】均默認(rèn)為壁面邊界條件。

3.2 流體計算結(jié)果

待求解器計算完成，進(jìn)入【仿真后處理導(dǎo)航器】進(jìn)行結(jié)果查看和分析。流體最大速度值為84.7m/s，最小速度值為0.0327m/s。

為了便于觀察計算域各開口附近的流體運動情況，現(xiàn)以流線方式分別顯示3個落廢料口及出廢料口處的流體運動情況。

由圖4可知，由于廢料斗自身的結(jié)構(gòu)特點，其內(nèi)部壓降梯度走勢不一致，在此壓降作用下，1#與2#落廢料口氣體流向出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，逆流將導(dǎo)致部分質(zhì)量較輕的廢料不能很好地進(jìn)入廢料斗排出。

圖4 廢料斗速度【流線】顯示

3.3 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證廢料順利排出，現(xiàn)對廢料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。由上述分析結(jié)果結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，將1#與2#落廢料口壁板斜度增加，距離排屑管道下底面高度適當(dāng)增減，同時將進(jìn)風(fēng)口壁板拉長，斜度放緩。優(yōu)化后結(jié)果如圖5所示。

優(yōu)化模型的流體流速最大值為87.7m/s，最小值為0.00119m/s。沖裁廢料從落廢料口進(jìn)，在流體的導(dǎo)流作用下，順利從出廢料口排出，從而保證自動吹廢料裝置正常工作。

4 優(yōu)化模型模態(tài)分析

廢料斗通過螺栓與機(jī)身底座連接，工作過程中與機(jī)身一起振動，為保證廢料斗順利落料，還需要考慮廢料斗的動態(tài)特性，計算出廢料斗前4階固有頻率和相應(yīng)的振型，分析因振動帶來的影響。

4.1 模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)動力學(xué)有限元分析的實質(zhì)就是將一個彈性連續(xù)體的振動問題，離散為一個以有限個節(jié)點位移為廣義坐標(biāo)的多自由度系統(tǒng)的振動問題，其運動微分方程可以表示為：

圖5 優(yōu)化后廢料斗速度【流線】顯示

式中，[M]表示構(gòu)件的總體質(zhì)量矩陣；[K]表示構(gòu)件的總體剛度矩陣；{x}表示節(jié)點位移列陣；{x¨}表示節(jié)點位移對時間的二階導(dǎo)數(shù)。

式（1）的解可以假設(shè)為如下形式：

式中，{?}為n階向量；ω是向量?的振動頻率；t是時間變量；t0是由初始條件確定的時間常數(shù)。

將式（2）代入式（1）得到如下特征方程：

求解上述方程可以確定?和ω，可以得到n個特征解：

其中，特征值ω1,ω2…ωn代表構(gòu)件的n個固有頻率，并且滿足

特征向量?1,?2,…,?n代表構(gòu)件的n個固有振型，對應(yīng)的幅值可以按照以下確定：

4.2 廢料斗模態(tài)分析結(jié)果

根據(jù)模態(tài)分析理論，有一個固有頻率就有一個模態(tài)振型與之對應(yīng)。模態(tài)的振型階次越高，與該模態(tài)頻率對應(yīng)的變形就越小，通常第1階模態(tài)導(dǎo)致部件產(chǎn)生最大的變形，本文提取前4階模態(tài)。如圖6分別為一、二、三、四階模態(tài)分析云圖。

圖6 廢料斗模型前四階模態(tài)分析云圖

從以上振型分析得出，廢料斗集料口與出料口前端較薄弱。其中集料口處有彎曲振動，出料口前端不僅有彎曲振動，而且還有扭轉(zhuǎn)振動。由表1知，模型固有頻率集中在200Hz左右，與機(jī)身振動頻率范圍有交集，振型位移最大幅值為2.453mm。由于廢料斗在工況下對小變形不太敏感，故該共振產(chǎn)生的影響較小。

表1 廢料斗模態(tài)分析

5 結(jié)論

本文主要研究了基于NX的流體力學(xué)運動仿真，介紹了流體力學(xué)分析模型建立的過程，詳述NX流體運動仿真的分析方法。由分析結(jié)果知，廢料斗內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)直接影響內(nèi)部流體的速度大小和運動方向，適當(dāng)加大落廢料口壁板與流體流向之間的角度值，減小進(jìn)風(fēng)通道的橫截面積，既能加快流體的運動速度，又能穩(wěn)定壓降梯度走勢，為結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了理論依據(jù)。文末對模型進(jìn)行模態(tài)分析，并給出相應(yīng)的分析結(jié)果，用數(shù)據(jù)闡述振動給模型帶來的影響。

[1]何德譽(yù).曲柄壓力機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

[2]沈春根，王貴成，王樹林，等.UG NX7.0有限元分析入門與實例精講[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]王積偉，章宏甲，黃誼，等.液壓與氣壓傳動[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]徐尚武，等.基于NX的軸向柱塞泵/馬達(dá)缸體組件的有限元仿真[J].液壓氣動與密封，2015，（3）.

Fluid analysis and optim ization of waste bucket in high-speed automatic stam ping production line for air-conditioner fin based on NX

PAN Longfei,LIU Weidi,YANG Yang,YU Hui,SONG Jianyou
（Yangzhou Metalforming Machine Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225128,Jiangsu China）

The common fluid analysis methods for finite element analysis ofwaste bucket NX have been introduced.Taking the waste bucket in high-speed automatic stamping production line for air-conditioner fin as the analysis object,the general steps of fluid analysis have been expounded.Through the fluid motion simulation,the reason for air reverse flow has been found out.The original model has been optimized to eliminate the influence of air reverse flow,which ensures the smooth discharge of the waste.The operation mode of model structure has been solved.The first 4 order natural frequency and the corresponding vibration mode of the model have been simulated.The influence of vibration to the operation of the part has been analyzed.

NX;Waste bucket;Fluid analysis;Optimization;Modal analysis

TB126

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.006

1672-0121（2016）05-0021-04

2016-05-25；

2016-07-17

潘龍飛（1988-），男，工程師，從事鍛壓設(shè)備設(shè)計分析。E-mail：beijing2008chenc@163.com