基于有限元的拉絲機(jī)機(jī)架的優(yōu)化分析

黃仲勇

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基于有限元的拉絲機(jī)機(jī)架的優(yōu)化分析

黃仲勇

（四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610063）

拉絲機(jī)是利用金屬絲拉拔過(guò)程在拉絲模內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形與塑性變形實(shí)現(xiàn)金屬絲尺寸及物理特性改變的機(jī)械設(shè)備，其中機(jī)架的強(qiáng)度會(huì)直接影響拉絲機(jī)的生產(chǎn)效率，目前基本都是采用經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)與制造。在對(duì)拉絲機(jī)機(jī)架進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)架實(shí)際受力特點(diǎn)及設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，分析拉絲機(jī)機(jī)架的受力情形后對(duì)其進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，并進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，采用拓?fù)鋬?yōu)化分析拉絲機(jī)機(jī)架，根據(jù)機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化分析過(guò)程、結(jié)果及對(duì)原模型進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到保證強(qiáng)度、優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。

拉絲機(jī)；機(jī)架；拓?fù)鋬?yōu)化分析

隨著金屬制品行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)拉絲產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高[1]。國(guó)內(nèi)廠家對(duì)拉絲機(jī)機(jī)架方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)多是憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，所以很有必要對(duì)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化分析。機(jī)架必須滿足工況、強(qiáng)度、剛度、美觀、穩(wěn)定性等的要求，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在以上方面已能完全滿足用戶要求，穩(wěn)定性甚至超過(guò)了同機(jī)型的國(guó)外拉絲機(jī)，現(xiàn)在需要做的是合理布置機(jī)架結(jié)構(gòu)形式，減少材料使用，并進(jìn)一步提高剛度。

1 機(jī)架的受力及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

拉絲機(jī)機(jī)架是為卷筒、減速器及電機(jī)提供支撐，安裝布置位置如圖1所示。卷筒安裝在機(jī)架上，除防護(hù)罩外幾乎不受其他載荷的作用，卷筒的傳動(dòng)鏈將自重較大的部件放置于機(jī)架底部，使重心下移，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性。另外，機(jī)架的高度較低，對(duì)穩(wěn)定性也有幫助。

圖1 機(jī)架上的布置

拉絲機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)采用以桁架結(jié)構(gòu)為主并結(jié)合板結(jié)構(gòu)的形式。機(jī)架采用的矩形鋼管規(guī)格為100 mm×100 mm、200 mm×100 mm、300 mm×200 mm，重要區(qū)域如支撐卷筒及減速器所用的鋼板厚度為30 mm，非重要區(qū)域如兩側(cè)鋼板厚度為10～12 mm。機(jī)架自重為0.7～1 t。

2 機(jī)架的受力變形分析

有限元分析中需去除一些不必要的細(xì)節(jié)，突出機(jī)架的受力本質(zhì)；同時(shí)為便于劃分網(wǎng)格也需要簡(jiǎn)化幾何模型，如忽略細(xì)小的圓角等。圖2（a）為拉絲機(jī)機(jī)架的三維幾何模型，分析受力情形后對(duì)其進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，如圖2（b）所示。

圖2 機(jī)架的三維幾何模型

模型簡(jiǎn)化后需進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因所用材料為板材、型材，所以可將其視作殼體，但這僅限于模型比較簡(jiǎn)單的情形。本例中機(jī)架構(gòu)造復(fù)雜，尤其為加強(qiáng)剛度，在板殼之間有大量通過(guò)焊接實(shí)現(xiàn)的重疊。在有限元分析時(shí)重疊部分往往很難處理，大量網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)需要手動(dòng)對(duì)齊使其重合。因此在分析中將采用實(shí)體網(wǎng)格，可以將機(jī)架的各個(gè)板塊合并成一個(gè)，然后再劃分網(wǎng)格。本次分析中采用四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元，這樣可以減少占用計(jì)算機(jī)資源，為確保精度可以適當(dāng)加密網(wǎng)格。分析采用的有限元模型如圖3所示，整個(gè)模型共劃分507098個(gè)單元。

圖3 機(jī)架的有限元模型

圖4為施加載荷的示意圖，其中，第一、二道次卷筒及減速器重量為1869 kg，最后道次的重量為2384 kg。電機(jī)重量按400 kg計(jì)算。所有集中力均施加在耦合約束的參考點(diǎn)上。

圖4 機(jī)架的邊界條件施加

分析得到機(jī)架變形及應(yīng)力如圖5所示。最大變形量為0.0887 mm，出現(xiàn)在第三道次靠后部。最大應(yīng)力為34.45 MPa，出現(xiàn)在第三道次機(jī)架后部的支柱下部。由于第三道次的卷筒需要積線較多，其構(gòu)造與前兩道次不同，表現(xiàn)在自重的增大，因此最大變形出現(xiàn)在第三道次的鋼板上。又根據(jù)應(yīng)力云圖，機(jī)架上支撐整體重量的是八根矩形鋼管支腿，應(yīng)力在支腿處比其他部位大；又由于第三道次受力較大，其后部支腿處的應(yīng)力在整個(gè)模型中最大。由于還有電機(jī)自重，因此無(wú)論是最大變形還是最大應(yīng)力均出現(xiàn)在機(jī)架靠后部位。另外，圖中機(jī)架下方的兩根焊接在機(jī)架上的電纜管、回水管對(duì)提高機(jī)架的剛度并無(wú)太大幫助。

圖5 機(jī)架的有限元分析結(jié)果

3 機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化分析過(guò)程、結(jié)果及對(duì)原模型的改進(jìn)

本文優(yōu)化的對(duì)象是LZ900拉絲機(jī)機(jī)架，此前設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)方法，帶來(lái)的問(wèn)題是某些位置剛度較好卻使用較多的材料、而某些位置剛度較差卻用了較少的材料。根據(jù)已有的機(jī)架結(jié)構(gòu)，其后部需要安裝電機(jī)，因此后部矩形鋼管不能移除，另外機(jī)架上部為采用20～30 mm厚的鋼板焊接的殼體，用于安裝卷筒及減速器，由于殼體很薄因此沒(méi)有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。制造機(jī)架的所有零部件均通過(guò)焊接組合在一起。

在優(yōu)化分析前，首先要建立基結(jié)構(gòu)模型?；Y(jié)構(gòu)即為初始結(jié)構(gòu)，若直接在原來(lái)機(jī)架的模型上分析優(yōu)化則相當(dāng)于已打上了原始模型的烙印，不能實(shí)現(xiàn)材料自然情況下的最優(yōu)分布。應(yīng)根據(jù)受力特點(diǎn)及便于建模、制造來(lái)選擇基結(jié)構(gòu)。結(jié)合上述分析，如圖6所示，機(jī)架側(cè)板必不可少，不用分析；機(jī)架后擋板是一塊鋼板，用于安裝照明等設(shè)施，也必不可少，不用進(jìn)行優(yōu)化；支撐卷筒等的殼體不用優(yōu)化；機(jī)架下半部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣直接決定了機(jī)架的承載能力，需優(yōu)化。

最終，拓?fù)鋬?yōu)化的初始模型為一中空的實(shí)體模型，其中壁厚參考原機(jī)架中矩形鋼管的尺寸?？紤]到原機(jī)架中卷筒、減速器的安裝空間，初始模型采用中間挖空的做法。添加與原模型有限元分析相同的約束并施加載荷及邊界條件。在分析中定義優(yōu)化設(shè)計(jì)的響應(yīng)為應(yīng)變能及體積比。應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù)使其最小，目的是提高結(jié)構(gòu)剛度；體積比是約束條件，考慮到原機(jī)架使用中空型材或板件占用材料較少，因此約束體積比為0.15。提交分析，在分析中可看到整個(gè)過(guò)程共迭代10次達(dá)到收斂。

A.機(jī)架側(cè)板 B.機(jī)架后擋板 C.支撐卷筒等的殼體 D.機(jī)架的下半部分

圖7列出了優(yōu)化后的單元密度結(jié)果。圖7（b）的單元密度比起圖7（a）有了顯著變化；隨著迭代過(guò)程的不斷進(jìn)行，單元密度由于懲罰函數(shù)的作用有了明顯區(qū)分，圖7（c）中單元密度為1的區(qū)域明顯比圖7（b）小，表明通過(guò)迭代優(yōu)化了材料的分布；圖7（d）表明應(yīng)該把材料集中在機(jī)架的八條支撐腿上，對(duì)于安裝電機(jī)處需要適當(dāng)增加材料，另外矩形鋼管截面形狀采用長(zhǎng)方形更好，因?yàn)槠湓诖怪庇谝粋€(gè)方向有更好的剛度，機(jī)架底部沒(méi)有材料，因此將原機(jī)架支腿底部的框架去除，機(jī)架上部保留的部分長(zhǎng)寬比較大且向機(jī)架的橫向、縱向延伸，在改進(jìn)中用200×100的矩形鋼管代替關(guān)鍵位置的100×100矩形鋼管。

改進(jìn)后的三維模型如圖8所示。

4 優(yōu)化后機(jī)架的受力變形分析及比較

為驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的可信性及合理性，采用有限元方法對(duì)其進(jìn)行分析并比較優(yōu)化前后的結(jié)果。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入，為其設(shè)定與優(yōu)化前分析相同的材料屬性、分析步、耦合條件、載荷及邊界條件、網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格類型進(jìn)行分析。分析中共劃分404040個(gè)單元。結(jié)果如圖9。

圖7 優(yōu)化的迭代及其結(jié)果

圖8 優(yōu)化后的機(jī)架

變形最大處仍為第三道次后方，因?yàn)槠渥灾剌^大；前部變形較小，這是由于電機(jī)重量施加在機(jī)架后部。最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在第三道次機(jī)架后部支腿下方。應(yīng)力及變形的分布與優(yōu)化前基本一致，這和機(jī)架實(shí)際受力相符合。

在應(yīng)力及變形的大小方面，對(duì)比拓?fù)鋬?yōu)化前模型的分析結(jié)果，優(yōu)化前后最大應(yīng)力分別為34.45 MPa、21.33 MPa，下降了約38%；優(yōu)化前后機(jī)架的最大變形量分別為0.0887 mm、0.0684 mm，下降了22.9%；此外由軟件提供的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后機(jī)架的重量比原先減少59 kg，下降了9.2%。

圖9 優(yōu)化后機(jī)架的有限元分析結(jié)果

[1]李愛(ài)軍. V型拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)[J]. 冶金設(shè)備，1992（3）：58.

Optimization of the Drawing Machine Frame Based on the Finite Element Analysis

HUANG Zhongyong

( Sichuang Provincial Machinery Research & Design Institute, Chengdu 610063, China )

The drawing machine is used in drawing die wire drawing process of elastic deformation and plastic deformation principle, implementation of wire size and the physical properties change and mechanical equipment. Among them the strength of the frame will directly affect the production efficiency of drawing machine. At present the drawing machine manufacturing industry, the basic experience is used to design and manufacture, based on the analysis about the present situation of drawing machine frame, on the basis of combined the actual frame mechanical characteristics and the present situation of design, do the following three aspects. After the analysis of the stress of the drawing machine frame situation to simplify the geometry, and tetrahedron mesh. The topology optimization analysis drawing machine frame. According to the topology optimization analysis process of the rack, results, and to improve the original model, in order to ensure strength, optimize the structure.

drawing machine；frame；topology optimization analysis

TG355.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.011

1006－0316 (2018) 05－0039－04

2017－12－20

黃仲勇（1979－），男，四川綿竹人，碩士，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)工作。