虛擬設(shè)計(jì)仿真技術(shù)在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳修龍, 蔡京成, 馬 騰

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要環(huán)節(jié),各高校都十分重視。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目大多是減速器,盡管不同專業(yè)的學(xué)生可設(shè)計(jì)不同級(jí)數(shù)的減速器,但設(shè)計(jì)題目單一、設(shè)計(jì)手段也較單一,不利于學(xué)生從總體上掌握完整的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程和掌握虛擬仿真設(shè)計(jì)新技術(shù)。因此,亟需在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)中引入實(shí)際工程中的多樣化設(shè)計(jì)對(duì)象,利用虛擬仿真技術(shù),培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

本文以100 kN混合驅(qū)動(dòng)九桿壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的設(shè)計(jì)對(duì)象,聯(lián)合應(yīng)用SolidWorks、ADAMS和ANSYS等軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和虛擬仿真。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:根據(jù)桿長(zhǎng)條件確定壓力機(jī)連桿和主要零件的基本尺寸,進(jìn)行壓力機(jī)三維建模,對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析,得到滑塊的位移、速度、加速度的圖像以及兩曲柄的驅(qū)動(dòng)力矩曲線,設(shè)計(jì)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu),對(duì)主要零部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析。

1 混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)采用普通電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源,其中普通電動(dòng)機(jī)提供壓力機(jī)的動(dòng)力,伺服電動(dòng)機(jī)對(duì)壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)?；旌向?qū)動(dòng)壓力機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械式壓力機(jī)相比有諸多優(yōu)點(diǎn),例如滑塊的速度曲線易于調(diào)節(jié)、能滿足不同沖壓工藝的要求,功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、節(jié)能環(huán)保。

迄今有關(guān)壓力機(jī)的研究主要集中于壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),包括動(dòng)力學(xué)研究、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、模塊化設(shè)計(jì)等方面[1-9],而對(duì)于壓力機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì),特別是涉及混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)的研究較少。

本文設(shè)計(jì)一種二自由度九桿混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),壓力機(jī)的兩個(gè)曲柄分別采用普通電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。壓力機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下:

公稱壓力:100 kN,

公稱壓力行程(工作行程):6 mm,

滑塊行程:88 mm,

最大沖壓次數(shù):40 次/min,

最大高度:≤1 500 mm。

根據(jù)以上的技術(shù)參數(shù),考慮桿長(zhǎng)條件和工作需求,確定壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)如圖1所示。其中:L1=45 mm,L2=220 mm,L3=200 mm,L4=45 mm,L5=300 mm,L6=230 mm,L7=244.34 mm,L8=280 mm,Hx=70 mm,Hy=230 mm。

圖1 混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)構(gòu)

ADAMS是用于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自主分析的虛擬樣機(jī)軟件[10-11],可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析[12-13]。利用SolidWorks建立壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零件的模型,然后將其導(dǎo)入ADAMS中,根據(jù)實(shí)際工作情況,設(shè)置兩曲柄的轉(zhuǎn)速,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,得到滑塊的位移、速度、加速度曲線(見圖2—圖4)。在工作行程段,對(duì)滑塊施加100 kN的載荷,模擬沖壓時(shí)的實(shí)際阻力,分別得到兩曲柄空載和負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩曲線。圖5和圖6分別為曲柄1空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線圖。

圖2 滑塊位移仿真圖

圖4 滑塊加速度仿真圖

由圖2位移曲線中可以得到滑塊的總行程為87 mm,其中工作行程為6 mm。由圖3和圖4可以看出,在滑塊接近最大工作行程時(shí)速度明顯變小、變緩,這樣在沖壓過(guò)程中可以減小滑塊對(duì)工件的沖擊,明顯降低工件被撕裂的危險(xiǎn)性。

選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)從負(fù)載的運(yùn)動(dòng)、慣量匹配、轉(zhuǎn)矩和保護(hù)電動(dòng)機(jī)等方面綜合考慮[14-15]?；旌向?qū)動(dòng)壓力機(jī)的伺服電動(dòng)機(jī)的選型原則主要包括以下幾個(gè)方面:(1)壓力機(jī)工作時(shí),曲柄的轉(zhuǎn)速應(yīng)略小于電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速; (2)壓力機(jī)各部件的慣量之和應(yīng)與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載慣量接近; (3)壓力機(jī)工作行程段的最大轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的型號(hào)可以根據(jù)曲柄的轉(zhuǎn)矩來(lái)選擇。

圖5 曲柄1轉(zhuǎn)矩仿真圖(空載)

圖6 曲柄1轉(zhuǎn)矩仿真圖(負(fù)載)

在非工作行程段,壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的負(fù)載主要為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各零件自身的重力,以及轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的摩擦,負(fù)載較小;在工作行程階段,要求壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的最大轉(zhuǎn)矩小于伺服電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。如圖6所示,曲柄1上最大的轉(zhuǎn)矩為1.512 kN·m。若選擇傳動(dòng)比為36,則：

(1)

式中:Md為電動(dòng)機(jī)的扭矩;Mq為曲柄上的扭矩;i為傳動(dòng)比。

根據(jù)式(1)，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不小于42 N·m。電動(dòng)機(jī)的功率為

P=F·v

(2)

式中:P為電動(dòng)機(jī)的功率;F為工作壓力;v為工作行程的速度。

(3)

式中:P為電動(dòng)機(jī)功率(kW);T為曲柄轉(zhuǎn)矩(N·m);n為曲柄轉(zhuǎn)速(r/min)。

根據(jù)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)預(yù)定的工作要求,令v≤25 mm/s,F=100 kN,由式(2)可得電動(dòng)機(jī)功率為2.5 kW。在壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作過(guò)程中,轉(zhuǎn)動(dòng)副之間會(huì)發(fā)生摩擦,所以電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)大于計(jì)算的結(jié)果,以滿足工作需求。綜合上述結(jié)果,電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩要大于42 N·m,額定功率要大于2.5 kW。通過(guò)對(duì)比,確定在曲柄1處使用臺(tái)達(dá)ASD-B2-3023-B型伺服電動(dòng)機(jī),技術(shù)參數(shù)為:額定電壓220 V,額定功率3 kW,額定轉(zhuǎn)矩19.1 N·m,瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩57.29 N·m,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

同樣,可根據(jù)轉(zhuǎn)矩圖得到曲柄4上所需的扭矩必須大于1.578 kN·m,電動(dòng)機(jī)功率約為6.6 kW?？梢赃x擇配套的二級(jí)行星齒輪減速機(jī),減速比為18。曲柄4處選擇Y160L-8電動(dòng)機(jī),技術(shù)參數(shù)為:同步轉(zhuǎn)速750 r/min,滿載轉(zhuǎn)速720 r/min,額定功率7.5 kW,額定轉(zhuǎn)矩2.0 kN·m,質(zhì)量145 kg。

混合驅(qū)動(dòng)九桿壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用開式焊接機(jī)身[16],伺服電動(dòng)機(jī)安裝于機(jī)身的一側(cè)。為保持機(jī)身的穩(wěn)定性,初步設(shè)計(jì)機(jī)身寬度為420 mm,長(zhǎng)度775 mm,高度1270.7 mm。根據(jù)機(jī)身各處受力大小的不同,對(duì)受力大的位置選用較厚的鋼板。沖壓空間處受力較大,因此在直角連接處添加筋板,提高連接處的強(qiáng)度。機(jī)身材料為Q235鋼板。

通過(guò)對(duì)混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)身的設(shè)計(jì)，以及對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型,在Solidworks中對(duì)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了組裝建模。壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

2 主要部件的有限元仿真

運(yùn)用ANSYS對(duì)壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要受力零部件和機(jī)架做結(jié)構(gòu)靜力分析,測(cè)試結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)。將Solidworks中建立的零件以及機(jī)架模型導(dǎo)入ANSYS中,結(jié)合從ADAMS所測(cè)得的數(shù)據(jù),對(duì)被測(cè)模型合理劃分網(wǎng)格、添加載荷,得到了零件的測(cè)算云圖。

根據(jù)ADAMS仿真結(jié)果,壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在沖壓的工作段機(jī)身受力最大,由圖6曲柄負(fù)載轉(zhuǎn)矩圖可知,擺桿的最大合力為100 kN,最大支撐力為36.997 kN。將機(jī)身底板進(jìn)行固定,根據(jù)ADAMS曲線圖,可得到作用在機(jī)身上力的方向,求解得到機(jī)身的應(yīng)力分布云圖和總體位移云圖。

由圖8可以看出,應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在肋板位置,最大應(yīng)力為45.501 MPa。對(duì)機(jī)身取安全系數(shù)為3,機(jī)身材料Q235鋼板的許用應(yīng)力為78.33 MPa。由于壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)身為多塊板材焊接而成,而且工作時(shí)受到交變應(yīng)力的作用,因此一般開式機(jī)身的許用應(yīng)力約為50 MPa[15]。通過(guò)添加肋板可以減小應(yīng)力集中。除肋板位置,其他部分應(yīng)力均低于30.334 MPa,使其在安全范圍之內(nèi)。

圖8 機(jī)身應(yīng)力分布云圖

由圖9可以看出,最大變形出現(xiàn)在機(jī)身頂端,最大值為0.345 51 mm,變形大小在許可范圍之內(nèi)。

曲柄所用的材料為45鋼,屈服強(qiáng)度為360 MPa,選取安全系數(shù)為3,許用應(yīng)力為120 MPa。由圖10可知,應(yīng)力集中出現(xiàn)在圓角處,曲柄1最大應(yīng)力值為32.792 MPa。為了減小應(yīng)力集中,采用增大圓角的方式進(jìn)行改進(jìn)。曲柄1其他部分應(yīng)力均小于21.862 MPa因此該設(shè)計(jì)可以滿足要求。

由圖11可知,曲柄的最大變形均位于曲柄頸部,曲柄1變形大小為11.586 μm。

圖9 機(jī)身整體位移云圖

圖10 曲柄1應(yīng)力分布云圖

圖11 曲柄1整體位移分布云圖

壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在工作時(shí),連桿的受力主要沿桿長(zhǎng)方向,交替受到拉伸和壓縮。對(duì)于擺桿,在上部軸瓦面處施加固定約束,在下部鉸接處施加載荷,進(jìn)行求解。由圖12可知,擺桿大部分應(yīng)力低于40.251 MPa,只有擺桿下端鉸接處出現(xiàn)最大值為72.409 MPa的應(yīng)力集中。取安全系數(shù)為3,許用應(yīng)力為120 MPa,則零件設(shè)計(jì)可以滿足要求。由圖13可知,其最大變形量為10.232 μm,出現(xiàn)在擺桿下端鉸接處,變形在許可范圍內(nèi)。

圖12 擺桿應(yīng)力分布云圖

圖13 擺桿位移分布云圖

3 結(jié)語(yǔ)

混合驅(qū)動(dòng)九桿壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的虛擬仿真設(shè)計(jì)為虛擬仿真技術(shù)在“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)中及工程實(shí)際中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。利用ANSYS對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要部件進(jìn)行了有限元分析,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)能夠滿足剛度、精度、可靠性等性能要求。該虛擬仿真課程設(shè)計(jì)可為“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程設(shè)計(jì)的教學(xué)改革和新一代壓力機(jī)的設(shè)計(jì)與制造提供參考。