一種半封閉框架結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)面變形分析及優(yōu)化

郭召

西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司 陜西西安 710000

1 序言

在一種半封閉框架結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)大剛度比，采用了鏤空的桁架式結(jié)構(gòu)。第一批次投產(chǎn)兩件，精加工完畢后進(jìn)行三坐標(biāo)檢測，基準(zhǔn)面A共面度要求0.05CZ，其中一件達(dá)標(biāo)，另一件實(shí)測0.475mm，超差0.425mm，返修后實(shí)測0.196mm，超差0.146mm，仍未合格。本文對超差原因進(jìn)行追溯分析，通過有限元仿真對判斷進(jìn)行分析驗(yàn)證，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了一種解決類似問題的思路，為該類結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)優(yōu)化及工藝優(yōu)化提供了參考。

2 半封閉框架結(jié)構(gòu)的測量及數(shù)據(jù)分析

半封閉框架采用焊接結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。長度2180mm，寬度490mm，最大高度463mm，重量約200kg。工件頂部有一對MV導(dǎo)軌的安裝結(jié)合基準(zhǔn)面A，由兩段組成，分別記為A1面和A2面。在A1面和A2面分別采集11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測量時(shí)工件側(cè)立放置，按圖2所示測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖1 半封閉框架結(jié)構(gòu)

圖2 測量點(diǎn)位置示意

為進(jìn)一步分析基準(zhǔn)面A中A1面和A2面的相對變形趨勢，獲取了所有測量點(diǎn)相對理論正確值的變化量，每根導(dǎo)軌面上分別采集11個(gè)測量點(diǎn)，間隔210mm，22個(gè)測量點(diǎn)的變形量數(shù)據(jù)見表1。

圖3 導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面變形趨勢擬合

表1 測量點(diǎn)相對理論基準(zhǔn)變形量 （單位：mm）

對22個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，相對變形趨勢如圖3所示，兩個(gè)要求共面的基準(zhǔn)面A1和A2變化趨勢相反，整體呈剪叉狀趨勢。

3 變形原因及仿真分析

根據(jù)變形趨勢，初步判斷是由于起吊時(shí)未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝，采用了兩個(gè)吊點(diǎn)起吊的方式，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件在自重作用下發(fā)生扭曲。對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行簡化，去除小螺紋孔及小倒角，建立有限元模型，共計(jì)43282個(gè)單元，90049個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)件材料屬性見表2，建立的有限元模型如圖4所示。

表2 結(jié)構(gòu)件材料屬性

圖4 有限元模型

模擬對角吊裝進(jìn)行有限元仿真分析，對結(jié)構(gòu)件上4個(gè)吊裝孔中呈對角的一對起吊孔施加固定約束，對結(jié)構(gòu)件施加重力載荷，進(jìn)行變形及應(yīng)力分布求解。通過圖5的變形云圖可以觀察到在兩點(diǎn)起吊狀態(tài)下，最大變形位于對角處，最大變形量達(dá)到0.517mm。施加4個(gè)吊點(diǎn)約束，進(jìn)行對比分析，通過圖6的變形云圖可以觀察到變形區(qū)域均勻，最大變形量0.025mm，變形量約減小為原來的1/20。由此可見，起吊位置對此類結(jié)構(gòu)件變形量的影響非常重要。

圖5 對角起吊的變形云圖

圖6 四吊點(diǎn)起吊的變形云圖

進(jìn)一步分析對角起吊狀態(tài)下導(dǎo)軌面A1和A2沿重力方向的變形量，僅顯示安裝面表面特征。為便于觀察趨勢，按5:1的比例進(jìn)行顯示，變形趨勢如圖7所示，整體呈剪叉趨勢，這一點(diǎn)和實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，證明了判斷的正確性。

圖7 導(dǎo)軌安裝面變形趨勢

4 改進(jìn)思路

為避免后續(xù)出現(xiàn)同類問題，一方面在工藝文件中明確起吊方式，并對操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，要求嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的吊點(diǎn)進(jìn)行吊裝作業(yè)；另一方面從設(shè)計(jì)的角度考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升吊裝剛度。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，薄弱環(huán)節(jié)在結(jié)構(gòu)件的開口位置，在不影響相鄰件運(yùn)動(dòng)空間及安裝空間的基礎(chǔ)上，在開口位置增加φ30mm連接桿，將兩側(cè)壁板進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)閉合體，其中連桿位置盡可能靠近吊裝點(diǎn)位置，以實(shí)現(xiàn)載荷的最優(yōu)傳遞路徑，優(yōu)化后的模型如圖8所示。按照前述兩吊點(diǎn)對角起吊的方法進(jìn)行有限元計(jì)算，變形云圖如圖9所示。在增加5根φ30mm連桿后，最大變形量由0.517mm減小至0.289mm，變形量減小約50%，證明了改進(jìn)方向是正確的。

圖8 優(yōu)化后的模型

圖9 增加連桿后對角起吊變形云圖

5 結(jié)束語

對類似半封閉鏤空結(jié)構(gòu)件，其穩(wěn)定承載滿足使用要求，但吊裝剛度不足。因此，在加工運(yùn)輸及裝配過程中，需要嚴(yán)格控制起吊方式，避免結(jié)構(gòu)件因承受過大扭曲載荷而產(chǎn)生變形。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高封閉性，可以提高整體剛度及吊裝剛度。