鋼覆面矯形工裝上矯形架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

王倉平

（中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 100000）

核環(huán)保項目的鋼覆面包含熱室鋼覆面、設(shè)備室鋼覆面和不銹鋼水池覆面。鋼覆面的加工具有施工體量大、焊接點多、土建安裝深度交叉施工作業(yè)等特點[1]。根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求，鋼覆面安裝要先制作焊接龍骨，由焊接龍骨支撐鋼覆面板材，鋼覆面的支架龍骨焊接點多，焊接由于受局部熱點影響，大尺寸焊接極易出現(xiàn)扭曲變形和波浪變形，受焊縫布局不規(guī)則，焊接變形難以控制，大尺寸預(yù)埋龍骨焊接矯形，在行業(yè)內(nèi)的焊接件安裝施工作業(yè)中都屬難點。為保證施工進(jìn)度，方便現(xiàn)場使用，項目部研發(fā)了鋼覆面施工專用矯形工裝。矯形工裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中上矯形架對整個矯形工裝起著至關(guān)重要的作用。但由于上矯形架橫梁跨度大，在施工過程中附加載荷時會產(chǎn)生變形，影響矯形件的最終矯形結(jié)果。因此很有必要對上矯形架進(jìn)行有限元分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖1 矯形工裝結(jié)構(gòu)示意圖

矯形工裝的上矯形架為橫梁結(jié)構(gòu)，羅傳林[2]等人對龍門式機(jī)床橫梁的板筋結(jié)構(gòu)形式、截面形狀、導(dǎo)軌分布形式作了研究分析，用有限元分析方法，對不同截面形狀的橫梁在特定方向的剛度大小進(jìn)行了分析對比。郭鐵能等[3]建立了橫梁力學(xué)模型和有限元數(shù)學(xué)模型，采用ADAMS 和ANSYS 進(jìn)行了仿真研究，定量地得到橫梁各導(dǎo)軌面承載時的變形。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析，確定了橫梁導(dǎo)軌面變形的承載曲線和曲線方程；許丹等[4]采用機(jī)械系統(tǒng)多剛體動力學(xué)仿真軟件ADAMS 和有限元分析軟件ANSYS對橫梁進(jìn)行了靜動態(tài)特性分析，計算出考慮重力和切削力作用下橫梁部件的靜態(tài)變形，以及通過動態(tài)測試和參數(shù)辨識方法，獲得導(dǎo)軌結(jié)合面特性參數(shù)。最終經(jīng)過模態(tài)分析得到系統(tǒng)固有頻率和各階振型圖；侯紅玲等[5]利用有限元分析軟件ANSYS 在材料和截面空間尺寸相似的情況下，對截面形狀不同的幾種結(jié)構(gòu)的梁進(jìn)行靜力和模態(tài)分析，將強(qiáng)度較好的梁，用模態(tài)分析得到剛度更好的梁。通過結(jié)構(gòu)的變形和一階頻率的振型研究比較，最終確定了較為合理的橫梁結(jié)構(gòu)。

通過文獻(xiàn)可以看出，橫梁的應(yīng)力分布、形變位移等情況對工裝的整體精度和性能有著很大的影響，對矯形工裝的上矯形架橫梁進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。本文通過對研發(fā)的矯形工裝上矯形架進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，以提高矯形工裝的作業(yè)精度。

1 矯形工裝上矯形架模型簡介

上矯形架的結(jié)構(gòu)和受力時的形變量對工裝整體矯形精度有很大的影響。如圖2 所示，上矯形架分別由兩側(cè)的腳柱和上部的橫梁，以及附屬構(gòu)件千斤頂、用于連接千斤頂和橫梁的支架板和有安裝在腳柱上的行走機(jī)構(gòu)組成，橫梁材料為工字鋼。

圖2 上矯形架結(jié)構(gòu)示意圖

為分析橫梁的應(yīng)力分布和承受載荷時的應(yīng)力分布情況，我們選取橫梁、腳柱和支架板受力部分為研究對象。建立如圖3 所示的坐標(biāo)系,其中橫梁長為l，千斤頂和支架板上裝有滾輪可在橫梁上來回移動以保證加工需求。千斤頂安裝位置即為載荷施加位置，我們分別選取橫梁的2 等分點、3 等分點和4 等分點進(jìn)行計算。施加總力為7000N。

圖3 選取的研究模型

橫梁和腳柱材料為Q345B。材料力學(xué)特性參數(shù)見表1。

表1 材料特性參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

2.1 上矯形架的有限元模型

對Solidworks 建立的上矯形架三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置其材料屬性和邊界載荷。最小單元尺寸為3mm，2 等分點模型、3 等分點模型和4 等分點模型到達(dá)離散模型的單元數(shù)分別為2175771、2187137 和2185661。以2 等分點模型為例，離散后的上矯形架有限元模型如圖4 所示。

圖4 吊裝梁有限元模型

2.2 有限元模型約束條件

根據(jù)實際約束情況，邊界條件設(shè)置如下：

1）兩腳柱底端設(shè)置為固定約束；

2）支架板下底面設(shè)置有垂直向上且均勻分布的載荷，總力大小為7000N。即f2=-7000N，且2 等分點模型僅中間位置設(shè)置有一個受力點，3 等分點和4等分點模型中分別布置有兩個受力點。

3 計算結(jié)果

3.1 上矯形架應(yīng)力分析

上矯形架的等效應(yīng)力分布和形變量分別如圖5所示。變形位移量按照100 倍放大顯示。

圖5 各模型應(yīng)力分布（單位：Pa）

計算得當(dāng)附加載荷f2=-7000N 時，2 等分點、3等分點和4 等分點各模型的最大等效應(yīng)力值分別為302MPa、266MPa 和226MPa，滿足材料的屈服強(qiáng)度。從圖5 可以看出最大等效應(yīng)力發(fā)生在橫梁與腳注連接部分，橫梁的最大等效應(yīng)力發(fā)生在橫梁的中間位置。且施加的載荷越靠近橫梁兩端，最大等效應(yīng)力越小。特別是當(dāng)受力點處于橫梁中間部位時，最大等效應(yīng)力302MPa 接近材料屈服強(qiáng)度，對矯形件進(jìn)行矯形作業(yè)時，當(dāng)施加的力大于7000N 則最大等效應(yīng)力很有可能超過材料的屈服極限。應(yīng)此，在矯形工裝矯形作業(yè)時應(yīng)最大可能的避免載荷集中分布在橫梁中間位置。

3.2 上矯形架變形分析

上矯形架橫梁各處的形變量如圖6 所示。

圖6 各模型橫梁各處形變量

從圖5 可以看出當(dāng)附加載荷f2=-7000N 時，2等分點、3 等分點和4 等分點各模型的最大形變量分別為3.16mm、2.63mm 和2.1mm，各模型的最大形變量均位于橫梁中點處。結(jié)合應(yīng)力分析，有必要對上矯形架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高矯形工裝可靠性和作業(yè)精度。

4 上矯形架優(yōu)化分析

4.1 模型優(yōu)化

為滿足上矯形架作業(yè)精度和可靠性，對上矯形架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以3 等分點受力為例，優(yōu)化后的模型如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化模型示意圖

4.2 優(yōu)化模型計算結(jié)果

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行數(shù)值計算，約束條件和邊界條件設(shè)置與2.2 一節(jié)所述相同。計算得應(yīng)力分布和橫梁各處位移結(jié)果分別如圖8、圖9 所示。

圖8 各模型應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖9 橫梁各處形變量

對優(yōu)化模型計算得當(dāng)附加載荷f2=-7000N 時，2等分點模型、3 等分點模型和4 等分點模型各自最大等效應(yīng)力值分別為3.15MPa、50MPa 和46MPa，三者均滿足材料的屈服強(qiáng)度。相比優(yōu)化前，各模型最大等效應(yīng)力分別減小了98.96%、81.2%和79.64%，相同載荷下的應(yīng)力優(yōu)化效果明顯。2 等分點、3 等分點和4 等分點各模型的最大形變量分別為0.02mm、0.32mm 和0.26mm，各模型的最大形變量均位于橫梁中間段，相比優(yōu)化前分別減小了99.37%、87.83%和87.61%。大幅度提高了矯形工裝的作業(yè)精度。

5 結(jié)論

本文通過對矯形工裝的上矯形架進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了上矯形架施加載荷f2=-7000N 時的等效應(yīng)力分布情況和應(yīng)變情況。在數(shù)值結(jié)果的基礎(chǔ)上對原有的矯形工裝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化后的上矯形架進(jìn)行數(shù)值分析，最終結(jié)果如下：

1）優(yōu)化前，上矯形架施加載荷f2=-7000N 時，各模型最大等效應(yīng)力均位于橫梁與腳柱連接處，橫梁上的最大應(yīng)力位于橫梁重點處，且最大等效應(yīng)力都滿足材料屈服強(qiáng)度。且施加的力越靠近橫梁兩端，最大等效應(yīng)力越小。

2）當(dāng)在上矯形架的中間位置施加7000N 的載荷時，最大等效應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度。作業(yè)時在滿足作業(yè)要求的前提下應(yīng)避免此類情況發(fā)生。

3）上矯形架的優(yōu)化效果明顯，2 等分點模型、3等分點模型和4 等分點模型的最大等效應(yīng)力分別減小了98.96%、81.2%和79.64%。在作業(yè)時，優(yōu)化后的矯形工裝可承受更大的載荷。

4）優(yōu)化后的2 等分點模型、3 等分點模型和4等分點模型的最大形變位于分別減小了99.37%、87.83%和87.61%，比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，相同載荷下，橫梁的應(yīng)變減小，有助于提高作業(yè)精度。