基于ANSYS的自動校直機(jī)機(jī)身優(yōu)化

段雙龍，黃金鳳，邢利然

（華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

軸類零件是機(jī)械類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的重要零部件，熱處理及其他制造工藝會導(dǎo)致零件軸心線發(fā)生彎曲變形。壓力校直法是目前廣泛采用的一種校直軸類零件的方法［1］，其原理是將待校直的軸類零件支承在工作臺的兩個(gè)活動支點(diǎn)之間，用壓頭對軸類零件的彎曲位置處進(jìn)行反向壓彎［2］，當(dāng)壓頭撤回后軸類零件就會得到校直［3］。

由于當(dāng)前門型軸類校直機(jī)的機(jī)身承受著電動機(jī)驅(qū)動壓頭而產(chǎn)生的校直力的作用，如果設(shè)計(jì)不合理不僅會造成材料的浪費(fèi)，也會導(dǎo)致其不能滿足剛度和強(qiáng)度要求進(jìn)而造成機(jī)器的損壞，導(dǎo)致更多財(cái)力物力的損失。為此，本文以現(xiàn)有的某門型軸類零件壓力校直機(jī)為基礎(chǔ)，對門型校直機(jī)的機(jī)身進(jìn)行優(yōu)化。

1 軸類自動校直機(jī)機(jī)身模型的建立

并聯(lián)軸類自動校直機(jī)機(jī)身由校直機(jī)機(jī)床床身、支撐箱體和橫梁三大部分組成，橫梁包括了導(dǎo)軌和滑塊。在軸類自動校直機(jī)校直過程中，主機(jī)的機(jī)身為重要的承力機(jī)構(gòu)，因此要對壓力校直機(jī)機(jī)身的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。利用SolidWorks建立校直機(jī)主機(jī)機(jī)身的三維模型，如圖1所示。

2 軸類自動校直機(jī)的基本參數(shù)

基本參數(shù)是根據(jù)軸類自動校直機(jī)的工藝用途以及結(jié)構(gòu)類型確定出來的數(shù)據(jù)，它反映了軸類自動校直機(jī)的工作特點(diǎn)和工作能力，是用來對自動校直機(jī)進(jìn)行優(yōu)化所需要的最基本的參數(shù)。

軸類自動校直機(jī)的基本參數(shù)如下：

（1）最大工作壓力。軸類自動校直機(jī)理論上能產(chǎn)生的最大力量被稱為最大工作壓力，它反映了軸類自動校直機(jī)的主要工作能力。

（2）主機(jī)機(jī)身的外形尺寸，是指校直機(jī)的外形輪廓尺寸。

圖1 校直機(jī)主機(jī)機(jī)身

（3）工作極限時(shí)滑塊的位置（兩個(gè)滑塊之間的距離）是指校直機(jī)加壓裝置接觸工作臺上的軸實(shí)施校直工作時(shí)導(dǎo)軌上四個(gè)滑塊的位置，用來確定當(dāng)自動校直機(jī)在工作時(shí)導(dǎo)軌上的力的大小、方向和施力的位置。滑塊位置示意圖如圖2所示。

圖2 滑塊位置示意圖

（4）機(jī)器的總重和各部分的重量，是指當(dāng)前機(jī)器重量。將賦予材料以后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench即可觀測到機(jī)器的重量及各部分的重量，用來在主機(jī)機(jī)體優(yōu)化時(shí)對各部分重量進(jìn)行等效力的轉(zhuǎn)換，使優(yōu)化的模型更為簡化。

（5）機(jī)器機(jī)身的板厚，是指當(dāng)前機(jī)器機(jī)身用材料的厚度。

（6）主機(jī)機(jī)身的材料密度。確定了機(jī)身使用的材料，即可知道材料密度，并用來確定機(jī)器機(jī)身的重量。

本文所研究的軸類自動校直機(jī)優(yōu)化時(shí)所需要的基本參數(shù)見表1。

表1 軸類自動校直機(jī)基本參數(shù)

3 軸類自動校直機(jī)的有限元分析

3.1 分析模型的建立

由于自動校直機(jī)在校直軸的時(shí)候機(jī)體承受了大部分的校直力，因?yàn)樾枰獙πＶ睓C(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度校核，來判斷機(jī)體的結(jié)構(gòu)是否滿足生產(chǎn)要求［4］。

利用SolidWorks建立軸類零件壓力校直機(jī)機(jī)身的三維模型時(shí)，將機(jī)身上不會對結(jié)構(gòu)構(gòu)成較大影響的孔、倒角等刪除，留下機(jī)身框架保存為.x-t格式，導(dǎo)入Workbench中對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。為了使用有限元軟件快速、準(zhǔn)確地對壓力校直機(jī)機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，需要對機(jī)體的結(jié)構(gòu)做出如下假設(shè)：壓力校直機(jī)機(jī)體是焊接結(jié)構(gòu)，并且假定機(jī)體的焊接質(zhì)量可靠；機(jī)體材料是各向同性的，且整體密度分布均勻。

3.2 機(jī)體的網(wǎng)格劃分

模型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分是有限元分析前期處理中的主要工作，利用ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃分處理功能可以對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分處理［5］。本文采用四面體與六面體相結(jié)合的單元類型對軸類自動校直機(jī)機(jī)身進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后，校直機(jī)機(jī)身有限元模型一共生成934 356個(gè)節(jié)點(diǎn)和196 566個(gè)單元，經(jīng)檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。機(jī)身網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

3.3 接觸和約束的處理

主機(jī)機(jī)體的底面和底面的地腳螺栓孔設(shè)置為與地面無摩擦約束，橫梁和側(cè)面的支撐箱體采用的是螺栓連接，因此可以把螺栓與橫梁和支撐箱體的螺栓孔設(shè)置為固定接觸。壓力校直機(jī)工作的極限載荷為100 kN，加載位置如圖4所示，在F處施加極限載荷的外載荷，在A處對機(jī)身施加一個(gè)重力加速度，而在B、C、D、E處是對機(jī)身施加外載荷的內(nèi)部反向力，力傳遞到滑塊上可等效為4個(gè)25kN的力。

3.4 機(jī)體的剛度和強(qiáng)度分析

在前處理工作完成以后，對模型進(jìn)行求解，得到軸類自動校直機(jī)機(jī)身的變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖5和圖6所示。為了更清楚地顯示效果，圖示的變形是放大2 300倍的結(jié)果（下文均是），在最小變形處和最小應(yīng)力處改為灰色顯示。

圖3 機(jī)身網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4 外載荷的施加

圖6 機(jī)身的應(yīng)力云圖

圖5 機(jī)身的變形云圖

由圖5可知，校直機(jī)機(jī)身的最大變形為0.065mm，最大變形發(fā)生在橫梁的中間處。為了滿足校直的精度要求，機(jī)身變形許用值為0.06mm，此變形偏大。

由圖6可知，最大應(yīng)力為72.201MPa，發(fā)生在連接橫梁和支撐箱體的最內(nèi)側(cè)的螺栓上。由于最大應(yīng)力位于螺栓上，所以應(yīng)該更加關(guān)注螺栓上的受力情況，以便更加了解各關(guān)鍵部件的受力情況，檢驗(yàn)其是否符合強(qiáng)度與剛度的要求，并為今后的研究提供支持。螺栓的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 螺栓的應(yīng)力云圖

由圖7可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在最內(nèi)側(cè)的螺栓上，最大應(yīng)力為72.201MPa，而機(jī)身材料結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為250MPa，取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力為166.7MPa，72.201MPa＜166.7MPa，故其滿足強(qiáng)度要求。但是考慮到實(shí)際工況，中間4個(gè)螺栓的受力較大，故可以考慮加大中間4個(gè)螺栓，其余不變。

4 對校直機(jī)進(jìn)行優(yōu)化

由壓力校直機(jī)機(jī)體的靜力學(xué)分析可知，機(jī)體結(jié)構(gòu)中大部分有較高的安全系數(shù)，說明機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為保守，可以對機(jī)體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在確保機(jī)身的總體結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下使其整體體積盡量變小，查找對機(jī)身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不會產(chǎn)生負(fù)面影響的可去除部分。最終目的是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下減輕校直機(jī)機(jī)體的重量［6］。

4.1 優(yōu)化思路

根據(jù)仿真結(jié)果確定優(yōu)化思路：①中間4個(gè)螺栓需要加強(qiáng)；②橫梁中間處變形較大，需要減小變形；③變形和應(yīng)力較小處可以考慮減小材料厚度。

改進(jìn)方案如下：①橫梁兩側(cè)筋板厚度由30mm改為25mm；②加大橫梁上方的三角筋；③床身筋板厚度由30mm改為20mm，床身厚度由50mm改為40 mm；④4個(gè)螺栓由M30改為M36。

4.2 優(yōu)化后的機(jī)身三維模型

建立優(yōu)化后機(jī)身結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后機(jī)身的三維模型

4.3 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

優(yōu)化后機(jī)身的變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖9和圖10所示，可以看出最大變形為0.055 8mm，滿足剛度要求，最大應(yīng)力也有所降低，為67.964MPa。

5 結(jié)論

利用ANSYS Workbench有限元分析軟件得出了校直機(jī)機(jī)體的最大變形和最大應(yīng)力，也通過分析找出了可以優(yōu)化的位置，并根據(jù)分析結(jié)果對機(jī)身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由優(yōu)化后的變形云圖可看出，最大位移小于0.06mm的設(shè)計(jì)要求，而且最大應(yīng)力也有所降低并且滿足工況要求。機(jī)身整體質(zhì)量由4 550kg降低到了4 160kg，減少了390kg，節(jié)省了材料費(fèi)用。

圖9 優(yōu)化后機(jī)身的變形云圖

圖10 優(yōu)化后機(jī)身的應(yīng)力云圖