基于Ansys Workbench的全鋼液壓硫化機(jī)有限元分析及優(yōu)化

馬金妮，郭良剛，張維義，宋瑞華

(青島雙星橡塑機(jī)械有限公司，山東 青島 266400)

輪胎硫化工藝對輪胎的性能以及質(zhì)量起到十分關(guān)鍵的作用。液壓硫化機(jī)的傳動(dòng)方式為通過液壓油缸驅(qū)動(dòng)上橫梁帶動(dòng)上模做垂直運(yùn)動(dòng)，因此，液壓硫化機(jī)輪胎硫化質(zhì)量的重點(diǎn)因素是上下模具的重復(fù)精度和同軸精度。硫化機(jī)的主機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)是否合理對整機(jī)的可靠性及性能具有直接關(guān)系。主機(jī)的受力以及變形位移對于整個(gè)硫化機(jī)的性能的可靠性和使用壽命的影響是關(guān)鍵的。

有限元法是計(jì)算機(jī)輔助工程CAE中最常用的一種。本文采用有限元分析軟件Ansys Workbench對硫化機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析流程如圖1所示。

圖1 Ansys Workbench有限元分析流程

全鋼液壓輪胎硫化機(jī)為側(cè)板框架式結(jié)構(gòu)，主傳動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)垂直升降式，主胎圈直徑范圍為17″～24.5″，最大合模壓力為4 415 kN，鎖緊油缸直徑為220 mm，4個(gè)加力油缸壓力為29 MPa。

本文使用軟件Solidworks建立硫化機(jī)的CAD模型，如圖2所示。對其進(jìn)行模型簡化后，利用Solidworks和Ansys Workbench之間的無縫鏈接工具，導(dǎo)入到Ansys Workbench中，建立有限元模型。

圖2 KHP67-450全鋼液壓硫化機(jī)整機(jī)模型

側(cè)板式全鋼液壓硫化機(jī)主機(jī)由內(nèi)外墻板、底座、橫梁、鎖銷等組成，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，結(jié)構(gòu)為側(cè)板框架、左右模為各自獨(dú)立單元。在具體操作過程中，考慮到有限元計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性，在Solidworks中應(yīng)對主機(jī)模型做一定的簡化處理：①倒角、倒圓特征不僅會(huì)使計(jì)算量過大，而且會(huì)降低單元格的質(zhì)量，從而降低了求解速度和精度，需對其進(jìn)行一定的處理；②處理未對齊表面之間產(chǎn)生的小平面特征；③處理零度邊情況；④處理對整體力學(xué)性能影響比較小的幾何特征，例如陣列的小孔，螺紋孔、退刀槽等；⑤去掉一些對主機(jī)整體受力情況無影響或影響比較小的零部件。

1 側(cè)板受力分析及優(yōu)化

在輪胎硫化過程中，若是側(cè)板的變形量不均勻或者過大，會(huì)影響硫化機(jī)的合模精度，導(dǎo)致圓周方向的合模力不均勻分布，易產(chǎn)生硫化輪胎動(dòng)平衡性差和飛邊過大等問題，因此，要保證硫化過程中良好的對中性及穩(wěn)定均勻的鎖模力，側(cè)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要。

在前期設(shè)計(jì)階段，經(jīng)有限元軟件受力分析優(yōu)化，在內(nèi)側(cè)加工有一個(gè)4 mm的圓角，如圖3所示。

圖3 側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程圖

側(cè)板三維模型如圖4所示，本文將對圖5中圓圈處結(jié)構(gòu)加工為直角的受力情況與將此結(jié)構(gòu)優(yōu)化成4 mm圓角時(shí)的受力情況做一分析對比。

圖4 側(cè)板簡化三維模型

圖5 溝槽處結(jié)構(gòu)

1.1 添加材料

根據(jù)表1的材料屬性參數(shù)完成側(cè)板的材料設(shè)置。

表1 材料特性

1.2 設(shè)置邊界條件

為得到更為精確的結(jié)果，約束和載荷的設(shè)置應(yīng)按硫化機(jī)合模時(shí)的實(shí)際受力最大時(shí)的工況設(shè)置。將側(cè)板與底座及橫梁緊貼的面及上部支撐的接觸面設(shè)置為固定約束，將壓力平均分配后添加在與底座連接溝槽及合模鎖緊孔受力作用面上。

1.3 網(wǎng)格劃分

有限元分析的收斂性決定了一個(gè)分析方案的可行性。由于有限元分析的精度和準(zhǔn)確性與網(wǎng)格的疏密程度有很大關(guān)系，所以為了使數(shù)據(jù)結(jié)果具有權(quán)威性與可靠性，必須對有限元分析的準(zhǔn)確性進(jìn)行收斂驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)的方法為：不斷細(xì)化網(wǎng)格直到應(yīng)力和變形結(jié)果在細(xì)化前后不再改變?yōu)橹埂?cè)板采用六面體網(wǎng)格劃分方式，并在連接溝槽處進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 側(cè)板網(wǎng)格劃分

1.4 求解計(jì)算及結(jié)果分析

側(cè)板勾槽處相同位置不加工此圓角時(shí)，高負(fù)荷區(qū)的最大張力為314 N/mm2，如圖7所示。當(dāng)側(cè)板溝槽處直角加工為圓角，并不斷優(yōu)化圓角尺寸，最終確定圓角尺寸為4 mm時(shí)，高負(fù)荷區(qū)的受力最小，此時(shí)最大張力為256 N/mm2，如圖8所示。

結(jié)論：

（1）在側(cè)板的狹槽處加工一個(gè)圓角能將最大張力降低大約23%；

（2）實(shí)踐生產(chǎn)中證明，最大力降低23%能夠?qū)⑹褂檬褂脡勖岣?0%甚至更長；

（3）現(xiàn)此機(jī)型的硫化機(jī)要求必須加工此圓角。

圖7 不加工圓角時(shí)的應(yīng)力結(jié)果

圖8 加工圓角時(shí)的應(yīng)力結(jié)果

2 底座有限元分析

底座由上下座板、左右側(cè)板、前后腹板、支腿及內(nèi)部加強(qiáng)筋板等焊接而成，底座與側(cè)板上的溝槽通過緊固件緊密楔嵌固定在一起。簡化之后用于本文分析的底座模型如圖9所示。

2.1 添加材料

硫化機(jī)底座采用Q345材料，根據(jù)表1的材料屬性參數(shù)完成底座的材料設(shè)置。

2.2 設(shè)置邊界條件

將支腿與地面固定的面及左右與側(cè)板相連接的接觸面設(shè)置為固定約束，再最大受力工況硫化機(jī)合模硫化時(shí)，底座承受合模力，將壓力分別添加在底座上。

2.3 網(wǎng)格劃分

對底座采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分方式，將網(wǎng)格尺寸設(shè)定為30 mm，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖10所示。

圖9 底座簡化三維模型

圖10 底座網(wǎng)格劃分

2.4 求解計(jì)算及結(jié)果分析

圖11為底座受力分析結(jié)果，最大應(yīng)力227 MPa出現(xiàn)在支腿與下底座相接處，小于所用材料Q345的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力區(qū)域較小。圖12為底座變形位移分析結(jié)果，最大變形位移0.56 mm在精度控制允許范圍內(nèi)。

圖11 底座受力結(jié)果

圖12 底座變形位移結(jié)果

3 上橫梁有限元分析

上橫梁由上下座板、左右側(cè)板、前后腹板及內(nèi)部加強(qiáng)筋板等焊接而成，由鎖緊銷與主機(jī)機(jī)架側(cè)板固定在一起。簡化之后用于本文分析的上橫梁三維模型如圖13所示。

圖13 上橫梁三維模型

3.1 添加材料

上橫梁采用Q345材料，根據(jù)表1的材料屬性參數(shù)完成上橫梁的材料設(shè)置。

3.2 設(shè)置邊界條件

在最大受力工況條件下，即硫化機(jī)合模硫化時(shí)，上橫梁由鎖緊氣缸通過鎖緊銷使其鎖定在側(cè)板上，將左右側(cè)板與主機(jī)機(jī)架側(cè)板相連接的四個(gè)圓孔內(nèi)表面接觸面設(shè)置為固定約束，將壓力分別添加在上橫梁連接熱板相應(yīng)受力作用面上。

3.3 網(wǎng)格劃分

對上橫梁采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分方式，將網(wǎng)格尺寸設(shè)定為30 mm，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖14所示。

圖14 上橫梁網(wǎng)格劃分

3.4 求解計(jì)算及結(jié)果分析

圖15為上橫梁受力分析結(jié)果，最大應(yīng)力285 MPa出現(xiàn)在橫梁支撐板的開口圓角處，小于所用材料Q345的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力區(qū)域較小。圖16為上橫梁變形位移分析結(jié)果，變形最大位移0.45 mm在精度控制允許范圍內(nèi)。

圖15 上橫梁受力結(jié)果

圖16 上橫梁變形位移結(jié)果

4 主機(jī)整體有限元分析

簡化之后用于本文分析的主機(jī)模型如圖17所示。

圖17 主機(jī)簡化三維模型

4.1 添加材料

硫化機(jī)主機(jī)側(cè)板、底座、橫梁均采用Q345材料，根據(jù)表1的材料屬性參數(shù)完成主機(jī)的材料設(shè)置。

4.2 設(shè)置邊界條件

將硫化機(jī)主機(jī)下部與地面緊貼的面及左右主機(jī)相連接的接觸面設(shè)置為固定約束，將壓力分別添加在底座加力油缸的作用面和上橫梁的作用面上。

4.3 網(wǎng)格劃分

硫化機(jī)的主機(jī)框架寬度為4.6 m，總高度為6.35 m，針對大型裝配體的網(wǎng)格劃分方法，首先采用默認(rèn)的網(wǎng)格剖分，盡管看起來很“疏”，但是由于采用了高階單元，基本也保證了計(jì)算結(jié)果的精度。從整體模型來看，網(wǎng)格單元的大小要與計(jì)算機(jī)的配置、求解精度的要求等相結(jié)合。將網(wǎng)格尺寸設(shè)定為30 mm，劃分完成的網(wǎng)格模型如圖18所示，網(wǎng)格數(shù)量為14 055，節(jié)點(diǎn)數(shù)為377 033。

圖18 主機(jī)模型網(wǎng)格劃分

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖19為主機(jī)受力分析結(jié)果，最大應(yīng)力294 MPa出現(xiàn)在橫梁支撐板的開口圓角處，小于所用材料Q345的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力區(qū)域較小。圖20為主機(jī)變形位移分析結(jié)果，變形最大位移0.47 mm在精度控制允許范圍內(nèi)。

圖19 主機(jī)受力結(jié)果

圖20 主機(jī)變形位移結(jié)果

5 結(jié)論

本文通過對液壓硫化機(jī)側(cè)板進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化，可使硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)性能得到很大提升，并在實(shí)踐生產(chǎn)中得到了成功的應(yīng)用；通過對該機(jī)型底座、上橫梁及主機(jī)的有限元分析，得出該機(jī)型的設(shè)計(jì)是安全可靠的。通過有限元在設(shè)計(jì)階段對硫化機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以判定結(jié)構(gòu)的可靠性，降低設(shè)計(jì)成本，可廣泛應(yīng)用到硫化機(jī)設(shè)計(jì)工作中。

參考文獻(xiàn)：

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