多聯(lián)硫化機上橫梁構(gòu)型有限元分析及優(yōu)化

韓 露，李溪斌，陳 謙，劉 存，呂柏源

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

多聯(lián)硫化機有5個工位可以同時工作，極大地提高了橡膠制品的制造效率。硫化機工作時，上橫梁[1]是承受鎖模力的關(guān)鍵部位，不同工位單獨工作時勢必會造成上橫梁受力不均勻，影響對中精度，從而影響制品的質(zhì)量，因此上橫梁的強度和剛度是硫化機設(shè)計的關(guān)鍵因素。本工作旨在通過對不同構(gòu)型的上橫梁進行有限元分析，確定合適的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，達到既能滿足使用要求又能節(jié)省資源的目的。

1 理論分析

應(yīng)用有限元進行分析時，解的精度[2]主要取決于單元模型（形狀及位移模式等）的選擇和網(wǎng)格劃分的精細，而單元模型的選擇更為關(guān)鍵。對于四面體單元，利用虛功原理將單元所受外載荷轉(zhuǎn)化為等效載荷。

2 上橫梁有限元分析

2.1 建立幾何模型

圖1 板式上橫梁結(jié)構(gòu)示意

本工作采用的鋼材是Q235A普通鋼材，其力學參數(shù)為：彈性模量 2.12×105MPa，泊松比0.288，密度 7.86 Mg·m-3，屈服極限 235 MPa，安全因數(shù) 1.3，許用應(yīng)力 ≤180.7 MPa。

2.2 定義單元類型并劃分網(wǎng)格

單元類型選擇solid 95[3]，該單元具有20個節(jié)點，各有3個自由度，可以在空間任一點定位，并在不影響精度的前提下，允許不規(guī)則形變。采用自由網(wǎng)格劃分方法對上橫梁進行網(wǎng)格劃分，并在應(yīng)力集中的位置進行網(wǎng)格細化，更真實地反映實際受力情形。劃分過的模型如圖2所示。

圖2 上橫梁網(wǎng)格劃分

2.3 定義約束條件并施加載荷

當硫化機5個工位同時工作時，上橫梁受到鎖模力的反作用最大，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下的加強環(huán)的環(huán)面（S1＝49 278.375 mm2）上，因此表面載荷Q1為

施加約束和載荷后的模型如圖3所示。

圖3 約束與加載分布

2.4 求解與結(jié)果分析

采用ANSYS直接解法求解，求解結(jié)果如圖4和5所示。由圖4可知，Y方向最大位移為0.351 mm，發(fā)生在上橫梁左右兩工位的套筒和加強環(huán)位置，與實際工作時左右兩工位約束不對稱、中間3個工位約束對稱的情況相符，結(jié)果也比較合理。由圖5可知，最大應(yīng)力發(fā)生在上橫梁左右兩側(cè)套筒處，此位置為應(yīng)力集中部位，最大應(yīng)力為168 MPa，遠小于材料的屈服極限235 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強度要求。

圖5 板式上橫梁應(yīng)力分布

2.5 結(jié)構(gòu)改進

綜上所述，板式上橫梁的強度、剛度均滿足使用要求，為研究不同構(gòu)型上橫梁強度、剛度的變化，還需設(shè)計一箱式上橫梁進行對比分析。已知板式上橫梁的質(zhì)量約為2 694 kg，現(xiàn)以同樣質(zhì)量的鋼材設(shè)計一箱式上橫梁，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。該上橫梁是由底板、頂板、端板、腹板焊接在一起組成的密閉箱型梁，其內(nèi)部焊接有“米”字形肋板以降低整個結(jié)構(gòu)的形變，中間位置裝有套筒，箱式上橫梁的質(zhì)量約為2 690 kg。

圖6 箱式上橫梁結(jié)構(gòu)示意

箱式上橫梁分析結(jié)果如圖7和8所示。由圖7和8可知，最大位移和最大應(yīng)力分別為0.236 mm和121 MPa，發(fā)生位置與板式上橫梁相同。通過對比分析可知，在同樣的工作條件下，同等質(zhì)量、不同構(gòu)型的上橫梁強度、剛度不同，箱式上橫梁的強度、剛度明顯較好。因此，在多聯(lián)硫化機上橫梁的設(shè)計中應(yīng)選用箱式上橫梁。

圖7 箱式上橫梁位移分布

圖8 箱式上橫梁應(yīng)力分布

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜上所述，箱式上橫梁的最大應(yīng)力遠小于材料的許用應(yīng)力，為節(jié)省資源，還需對其進行優(yōu)化。本工作采用正交試驗方法[4]對上橫梁各個參數(shù)進行優(yōu)化，正交試驗表如表1所示，其中上橫梁壁厚為δ，肋板寬度為B，上橫梁高度為h，最大應(yīng)力為σ，最大應(yīng)變?yōu)棣?，質(zhì)量為m。

表1 正交試驗表

根據(jù)第7組數(shù)據(jù)，即δ＝30 mm，B＝40 mm，h＝180 mm，從中選定兩個因素，其余因素重新選擇，做3組數(shù)據(jù)分析。

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第1組：δ＝30 mm，h＝180 mm，B可變。應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量曲線如圖9所示。

圖9 第1組分析數(shù)據(jù)

第2組：δ＝30 mm，B＝40 mm，h可變。應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量曲線如圖10所示。

圖10 第2組分析數(shù)據(jù)

第3組：B＝40 mm，h＝180 mm，δ可變。應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量曲線如圖11所示。

圖11 第3組分析數(shù)據(jù)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以知道：

在選擇最優(yōu)方案時，應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量是最主要的因素，需要綜合考慮；當δ＝25 mm，B＝40 mm，h＝180 mm時，上橫梁所受最大應(yīng)力和應(yīng)變分別為163 MPa和0.340 mm，均在強度和剛度要求范圍之內(nèi)，并且其質(zhì)量僅為2 080 kg，為最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

對多聯(lián)硫化機上橫梁的構(gòu)型進行有限元分析和優(yōu)化，得出如下結(jié)論：

（1）在同等條件下，箱式梁的強度和剛度比板式梁更高；

（2）在滿足剛度和強度要求的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對箱式梁的優(yōu)化，上橫梁總質(zhì)量降低了22.8%，節(jié)省了鋼材，降低了成本。