大型航空玻璃拉伸機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙文輝，白士歡，段振云，趙文珍，劉玉潔

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)，110870)

0 前言

航空有機(jī)玻璃抗壓、抗沖擊、抗彎強(qiáng)度均高于普通有機(jī)玻璃，具有很高的抗裂紋擴(kuò)展性。主要用于軍用飛行器座艙等透明件，其性能要求較高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜[1-5]。大型航空有機(jī)玻璃拉伸是在加熱狀態(tài)下對(duì)有機(jī)玻璃原板在平面內(nèi)雙向均勻拉伸至規(guī)定尺寸，使其無(wú)規(guī)律排列的大分子鏈有序排列，并保持一定的內(nèi)應(yīng)力，以提高其沖擊強(qiáng)度和斷裂韌性[6-9]。大型航空玻璃拉伸時(shí)單向拉力達(dá)到700 kN以上。主梁作為主要承載構(gòu)件連接絲杠和拉桿完成玻璃板的拉伸，其4 300 mm的工作長(zhǎng)度容易產(chǎn)生大的變形，影響玻璃質(zhì)量。唐艷華[10]對(duì)重型變位機(jī)的關(guān)鍵部位翻轉(zhuǎn)架進(jìn)行了有限元分析，改進(jìn)了翻轉(zhuǎn)架腳部。王哲琳等[11]通過(guò)對(duì)25 MN鋁擠壓機(jī)中主要承載結(jié)構(gòu)后梁主缸進(jìn)行有限元分析，獲取了主缸的應(yīng)力分布情況及結(jié)構(gòu)中薄弱的地方，并根據(jù)一系列參數(shù)與應(yīng)力的變化參數(shù)得到了結(jié)構(gòu)方案，使應(yīng)力得到了大幅度下降。

本文根據(jù)拉伸機(jī)工作特點(diǎn)，對(duì)拉伸機(jī)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析，根據(jù)分析得到的結(jié)果對(duì)主梁幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[12-14]。使主梁滿足使用要求，實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

1 拉伸工作原理

航空有機(jī)玻璃雙向拉伸設(shè)備，包括保溫裝置、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、拉伸系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，單向最大載荷900 kN。通過(guò)四個(gè)方向拉伸電機(jī)的變頻控制和光電編碼器的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)拉伸速度與位移的半閉環(huán)控制，速度連續(xù)可調(diào)，保證了四個(gè)方向的同步拉伸。拉伸系統(tǒng)主要由電機(jī)、絲杠、主梁、拉桿、延展機(jī)構(gòu)組成。如圖1所示為拉伸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 拉伸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在拉伸過(guò)程中，兩個(gè)30 kW電機(jī)通過(guò)渦輪蝸桿、鏈條鏈輪二級(jí)減速，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)絲母旋轉(zhuǎn)，從而使絲杠直線運(yùn)動(dòng)。絲杠與主梁連接，主梁帶動(dòng)拉桿運(yùn)動(dòng)，從而拉伸有機(jī)玻璃原板。主梁是拉伸機(jī)中承受載荷最大的部分，其結(jié)構(gòu)是否合理是影響拉伸機(jī)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵要素[15,16]。主梁的變形直接影響整機(jī)工作性能和玻璃質(zhì)量。

2 主梁受力分析

對(duì)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮絲杠的拉力F和拉伸玻璃板產(chǎn)生的均布載荷Q。在這兩種力的作用下，主梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，對(duì)有機(jī)玻璃板的拉伸會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，因此對(duì)主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮主梁的彎曲變形。受力分析如圖2所示。

圖2 主梁受力分析示意圖

主梁在沿工作區(qū)域分布的均布載荷的作用下將彎曲成一弧形。變形之后分析力的平衡，采用極坐標(biāo)形式。以矩形微分單元體和剪應(yīng)力為零的要求，建立應(yīng)變?yōu)槲灰频年P(guān)系。

假設(shè)在直角坐標(biāo)系中，物體變形前任一點(diǎn)P0的位置矢量為R0，變形后該點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)P，位移矢量為u,位置矢量為R，i、j分別沿x、y方向的單位矢量。

采用歐拉法[17]，將變形后物體任一點(diǎn)的位置用正交曲線坐標(biāo)表示為：R=x(a1,a2)i+y(α1,α2)j，求微分可得

dR=e1A1dα1+e2A2dα2

(1)

由平衡方程及胡克定律得伸長(zhǎng)率

(2)

由式(1)、式(2)得周向及徑向應(yīng)力為

(3)

式中，r0為中性層圓弧半徑。

位移計(jì)算表達(dá)式為[18]

ux=uθcosθ+ursinθuy=-uθsinθ+urcosθ

(4)

3 有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 主梁有限元分析

主梁的設(shè)計(jì)要求是單向最大負(fù)載900 kN。根據(jù)主梁模型劃分為四面體網(wǎng)格，將材料設(shè)置為Q235，該材料模量E為210 GPa，屈服強(qiáng)度σs為235 MPa，密度ρ為7.85 g/cm3，泊松比μ為0.33。網(wǎng)格劃分單元為23 653個(gè)。

如圖2所示，在絲杠與主梁連接點(diǎn)處施加固定約束，在梁前面施加x軸方向載荷900 kN，所施加的約束與載荷為主梁?jiǎn)蜗蜃畲筘?fù)載。圖3a為應(yīng)力分布圖，根據(jù)圖示最大應(yīng)力出現(xiàn)在絲杠與主梁兩個(gè)連接點(diǎn)的外側(cè)，大小為σ1=352.44 MPa。圖3b為應(yīng)變分布圖在單向拉力的作用下，產(chǎn)生X1=3.358 2 mm的變形位移。

圖3 主梁應(yīng)力與變形位移示意圖

主梁機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，變形3.358 2 mm也不滿足設(shè)計(jì)要求。需要對(duì)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主梁改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用UG NX高級(jí)仿真的Altair HyperOpt解算器的幾何優(yōu)化模塊對(duì)主梁的主體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[19,20]。

主梁全長(zhǎng)5 000 mm，工作區(qū)域4 300 mm，假定工作區(qū)域內(nèi)載荷Q均布。設(shè)定變量為主梁的寬度W、兩個(gè)拉力F的中心距L。

優(yōu)化后結(jié)果如圖5所示，在工作區(qū)域內(nèi)，最大行變量<1.5 mm，應(yīng)力<190 MPa。此時(shí)主梁寬度224 mm，拉力中心距1 680 mm。

圖5 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后有限元分析示意圖

4 結(jié)論

為減小應(yīng)力與受力變形，對(duì)航空玻璃拉伸機(jī)的主梁進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(1)根據(jù)工作要求，對(duì)主梁進(jìn)行受力分析，構(gòu)建主梁三維模型。并對(duì)模型進(jìn)行模擬分析，明確結(jié)構(gòu)最薄弱位置在絲杠與主梁連接點(diǎn)外側(cè)

(2)對(duì)主梁進(jìn)行HyperOpt優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)定主梁變量為寬度和拉力中心距。優(yōu)化后主梁寬度為224 mm，拉力中心距為1 680 mm。單側(cè)承受900 kN拉力的工況下，主梁最大變形量由3 mm降低到小于1.5 mm，最大應(yīng)力由352 MPa降低到190 MPa。