某液壓鉚釘機(jī)機(jī)身受力分析及優(yōu)化

王功名，范樊華，周 健，徐久兵，范如明

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225104）

液壓鉚釘機(jī)是利用沖壓機(jī)設(shè)備和專用連接模具通過一個(gè)瞬間強(qiáng)高壓加工過程，依據(jù)板件本身材料的冷擠壓變形，形成一個(gè)具有一定抗拉和抗剪強(qiáng)度的無應(yīng)力集中內(nèi)部鑲嵌圓點(diǎn)，即可將不同材質(zhì)不同厚度的兩層或多層板件連接起來[1]。

機(jī)身是鉚釘機(jī)中制造周期最長的部分，作為支撐件，機(jī)身需要承受機(jī)床工作時(shí)的大部分變形，機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，直接決定機(jī)床的剛度和精度，所以機(jī)身一定要在投產(chǎn)前先行分析，找到合理的結(jié)構(gòu)。以我公司最近要投產(chǎn)的液壓鉚釘機(jī)為例，這款鉚釘機(jī)機(jī)身采用Q235-A鋼板拼焊的方法制造。針對鉚釘機(jī)機(jī)身進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到機(jī)身喉口處合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 機(jī)身體三維模型建立

使用三維建模軟件，可以直觀形象地建立現(xiàn)有機(jī)身體的三維模型。在建模時(shí)設(shè)置機(jī)身體為焊接件，為了方便下一步需要進(jìn)行的有限元分析快速而又不影響結(jié)果正確性，對機(jī)身體結(jié)構(gòu)上的一些細(xì)節(jié)（不會影響機(jī)身強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力分布）簡化處理，如某些螺紋孔、銷孔等，以提高求解精度和縮短求解時(shí)間。建好的鉚釘機(jī)機(jī)身體三維模型如圖1所示。

2 靜力學(xué)分析步驟

圖1 三維模型

有限元分析軟件可以采用多種分析方式分析各種受力情況，適用范圍較廣，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析中，靜力學(xué)分析是一種常用且有較高可信度的分析類型。鉚釘機(jī)機(jī)身在恒定的載荷作用下的應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況可以用有限元分析軟件中的靜力學(xué)分析模塊來求解，其分析步驟如圖2所示。

圖2 靜力學(xué)分析步驟

2.1 定義材料與網(wǎng)格劃分

在把機(jī)身體三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件之后，首先需要設(shè)定機(jī)身體的材料，由前文敘述可知，鉚釘機(jī)機(jī)身是焊接件，材料為Q235-A，通過查找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，Q235-A的密度為7860kg/m3，彈性模量為2.06E5MPa，泊松比0.3。

網(wǎng)格的質(zhì)量對受力分析結(jié)果是否貼近實(shí)際情況具有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)鉚釘機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次分析采用了邊界擬合能力非常好的四面體Solid92單元。其網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 施加載荷及約束與求解

對鉚釘機(jī)結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力分析主要是計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形，選擇鉚釘機(jī)鉚接頭位于下死點(diǎn)處滿載荷狀態(tài)時(shí)進(jìn)行綜合分析[2]。機(jī)身承受兩個(gè)方向相反、大小相等的載荷，一個(gè)是作用在液壓缸支撐板上，方向朝上；另一個(gè)作用在工作臺上，方向向下。

液壓缸支撐板上的作用力和工作臺上的作用力都是以均布面載荷的形式作用于鉚釘機(jī)機(jī)身上；這里認(rèn)為地基為剛性固定平面，鉚釘機(jī)底部通過地腳螺栓與地基相連的部分6自由度全約束，其他部分與地基間引入接觸約束。

設(shè)置重力方向沿機(jī)身向下；將800kN豎直向上的公稱壓力施加在液壓缸支撐板上；同時(shí)將800kN的公稱壓力均布地施加到工作臺上。在給液壓缸支撐板和工作臺加載時(shí)受力區(qū)域?yàn)橐簤焊字伟寮肮ぷ髋_全平面，利用公式P=F/A可以計(jì)算可得作用在液壓缸支撐板單位面積所受的力為：1.1599MPa；工作臺單位面積所受的力為：1.123MPa。其加載后的模型如圖4所示。

3 機(jī)身局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖4 施加載荷及約束模型

圖5 機(jī)身應(yīng)力與應(yīng)變

圖6 優(yōu)化前喉口示意

圖7 優(yōu)化后喉口示意

由分析結(jié)果可知機(jī)身的喉口處上拐角處最大應(yīng)力為128.88MPa，且機(jī)床頂部變形為1.01mm，機(jī)床整體應(yīng)力及應(yīng)變都較大，通過經(jīng)驗(yàn)可知，需要對喉口處局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，以減小其應(yīng)力集中。如圖6所示為喉口處的結(jié)構(gòu)示意，常規(guī)鉚釘機(jī)尺寸300mm這個(gè)值是要求凈尺寸，若此處設(shè)計(jì)為圓弧結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致喉口實(shí)際高度大大增加，從而導(dǎo)致應(yīng)力及應(yīng)變都增大，所以此處選擇在機(jī)床主板左右兩側(cè)加焊加強(qiáng)板。如圖7所示，通過在原有基礎(chǔ)上在主板兩側(cè)加焊圖中尺寸厚度不同加強(qiáng)板，并進(jìn)行靜力分析，得到不同的分析結(jié)果。綜合考慮成本和作用，我們這里最終選擇加強(qiáng)板厚度為10mm，其分析結(jié)果如圖8所示，此處局部應(yīng)力最大為100.6MPa，機(jī)身體最大應(yīng)變?yōu)?.87mm，機(jī)身體的應(yīng)力及變形情況得到了較大的改善。需要指出的是機(jī)床在優(yōu)化前重4.68t，優(yōu)化后重4.86t，使用較少材料達(dá)到了較好的效果，盡量做到了最大化材料的價(jià)值。

圖8 優(yōu)化后機(jī)身應(yīng)力及應(yīng)變

4 結(jié)論

根據(jù)有限元基本理論和方法，運(yùn)用三維建模軟件建立模型并利用有限元分析軟件對鉚釘機(jī)機(jī)身進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)分析結(jié)果對其局部薄弱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化及加強(qiáng)，得到了合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)過程中鉚釘機(jī)機(jī)身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及找準(zhǔn)薄弱部位，合理加強(qiáng)薄弱部位提供了理論支撐。