基于ANSYS的重型框架式制管成型機(jī)主機(jī)分析與優(yōu)化

蔣文凱

（天水鍛壓機(jī)床（集團(tuán)）有限公司,甘肅 天水 741020）

1 引言

隨著輸電、通信、基建打樁、大型鋼結(jié)構(gòu)建筑、風(fēng)電、石油輸氣管道等行業(yè)發(fā)展，對折彎機(jī)品種、規(guī)格要求不斷提高。近年來液壓板料折彎機(jī)向大噸位（6000t 以上）、多缸（4 缸以上），超長（工作臺長達(dá)13m 以上）方向發(fā)展[1]。由此大型折彎機(jī)派生出一種專門生產(chǎn)各種超大超厚管道的重型數(shù)控制管成型機(jī)。該類成型機(jī)隨著成型工程力與長度的增加，各部件質(zhì)量隨著增加，需要對成型機(jī)框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D仿真、受力分析、動(dòng)載荷仿真分析與優(yōu)化。在保證整機(jī)強(qiáng)度、剛度的前提下，優(yōu)化為重量最輕，可分體加工、運(yùn)輸和安裝。多組油缸與框架的聯(lián)接方式，保證可拆裝的前提下，要可靠連接、可靠受力。大型零部件要求虛擬裝配，以提供現(xiàn)場安裝方案。

本文對6000t、6 缸重型框架式制管成型機(jī)主機(jī)，在其整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用ANSYS 仿真軟件，對其整機(jī)進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，并對其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。對機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，建立動(dòng)力模型，根據(jù)成型機(jī)的工況對其進(jìn)行了振動(dòng)分析，得到其前六階模態(tài)，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 6000t、6 缸重型制管成型機(jī)組成及工作流程

2.1 重型制管成型機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)形式

重型制管成型機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)形式為框架式結(jié)構(gòu)。主機(jī)由工作臺1、出料機(jī)構(gòu)2、機(jī)架3、導(dǎo)軌4、滑塊5、液壓系統(tǒng)6、油缸7、上模8、下模9、電氣系統(tǒng)10 等組成，如圖1 所示。

圖1 重型數(shù)控制管成型機(jī)主機(jī)圖

制管成型機(jī)輔機(jī)由后送料機(jī)構(gòu)1、后托料機(jī)構(gòu)2、前托料機(jī)構(gòu)4、縱向進(jìn)料機(jī)構(gòu)5、前送料機(jī)構(gòu)6、側(cè)出料機(jī)構(gòu)7 等組成。如圖2 所示。

圖2 重型數(shù)控制管成型機(jī)輔機(jī)圖

2.2 制管成型機(jī)工作流程

（1）輸入板料。制管成型機(jī)通過縱向進(jìn)料機(jī)構(gòu)5的輥道，將制管成型機(jī)上游設(shè)備加工后的板料，輸送到成型區(qū)前方中間位置；縱向進(jìn)料機(jī)構(gòu)5 的輥道落下，板料落在前托料機(jī)構(gòu)4 上。

（2）折制前半圓。放置在前托料機(jī)構(gòu)4 上的板料，由前送料機(jī)構(gòu)6，按照數(shù)控系統(tǒng)編程的工步與送料值，依次送料、折制，分步折制出前半圓管坯。

（3）制管成型機(jī)主機(jī)折制。制管成型機(jī)主機(jī)3 的滑塊，按照數(shù)控系統(tǒng)編程的工步與定位值，驅(qū)動(dòng)滑塊同步運(yùn)行、精確定位，分步將板料折制成管坯。

（4）折制后半圓。由后送料機(jī)構(gòu)1，按照數(shù)控系統(tǒng)編程的工步與送料值，依次送料、折制，分步折制出后半圓管坯。

（5）圓管坯輸出。待全部折制工步完成后，側(cè)出料機(jī)構(gòu)7 將開口圓管坯推送，同時(shí)V 型出料輥道旋轉(zhuǎn)，將開口圓管坯輸出到下游設(shè)備，制管成型機(jī)完成圓管坯加工。

3 6000t、6 缸重型成型機(jī)框架式主機(jī)有限元分析

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，人們利用CAE（Computer Aided Engineering 計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)對鍛壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真等有限元分析，逐漸成為成形設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效工具[2]。ANSYS Workbench 協(xié)同仿真環(huán)境是開放式的CAE 平臺，集成了不同前后處理器，是一個(gè)直觀、便于交互式操作的仿真系統(tǒng)，能方便快捷地對各種工程問題進(jìn)行分析[3]。

3.1 主機(jī)有限元分析建模

建立6000、6 缸電液數(shù)控成型機(jī)的有限元分析模型，為有限元分析做準(zhǔn)備。首先在不影響整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度的情況下對模型進(jìn)行簡化，忽略圓角、倒角和筋板等特征。忽略重力對靜力分析的影響。利用SolidWorks 軟件將模型簡化，導(dǎo)入ANSYS Workbench 中生成有限元模型。

3.1.1 接觸和邊界條件

建立正確的接觸關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬的基礎(chǔ)。利用Workbench 軟件的自動(dòng)識別功能，本裝配體模型共識別1256 對接觸，將導(dǎo)軌與滑塊的接觸關(guān)系定義為“不分離”，摩擦系數(shù)為0.05，其余接觸類型定義為“綁定”。

3.1.2 單元類型的選取和網(wǎng)格劃分

采用接觸對專用的“接觸尺寸”方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制不同部位采用尺寸不同的網(wǎng)格。只對孔軸這類動(dòng)靜連接的部位進(jìn)行局部細(xì)化，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度。整個(gè)裝配體共劃分為1148287 個(gè)單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為2151151 個(gè)，網(wǎng)格劃分情況如圖3 所示。

圖3 整機(jī)網(wǎng)格劃分示意圖

3.1.3 邊界條件的施加

第一位移邊界條件：機(jī)身底部與地面采用“固定”約束方式。第二載荷邊界條件：研究成型機(jī)的公稱力是60000kN。根據(jù)作用力與反作用力的原理，成形工件時(shí)，滑塊和工作臺受到等大反向的一對作用力。上述一對力的載荷均按布載荷處理，分別施加到工作臺面與滑塊上。預(yù)緊拉桿的預(yù)緊力設(shè)為與公稱壓力相同。

3.2 預(yù)緊力對成型機(jī)剛度的影響

為了探究預(yù)緊力對成型機(jī)剛度的影響，本文對比了有無預(yù)緊力時(shí)成型機(jī)在公稱壓力下的變形與應(yīng)力分布情況。

3.2.1 預(yù)緊力對原成型機(jī)結(jié)構(gòu)的影響

圖4 和圖5 為預(yù)緊拉桿有無預(yù)緊力時(shí)在公稱壓力下成型機(jī)的應(yīng)變與應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，在預(yù)緊拉桿上施加60000kN 的預(yù)緊力，成型機(jī)的應(yīng)力與應(yīng)變反而比未施加預(yù)緊力時(shí)大。說明預(yù)緊拉桿的設(shè)計(jì)不合理，需要改進(jìn)。

圖4 無預(yù)緊力時(shí)成型機(jī)的應(yīng)變與應(yīng)力分布

圖5 有預(yù)緊力時(shí)成型機(jī)的應(yīng)變與應(yīng)力分布

3.2.2 預(yù)緊力對改進(jìn)后成型機(jī)結(jié)構(gòu)的影響

為了減小整機(jī)的應(yīng)力與應(yīng)變，建議對原模型進(jìn)行改進(jìn)，在左右立柱中添加一根貫穿整機(jī)的直徑175mm 的豎直長預(yù)緊拉桿，如圖6 所示。同樣對比改進(jìn)后長預(yù)緊拉桿中有無預(yù)緊力時(shí)整機(jī)的應(yīng)力與應(yīng)變，如圖7、8 所示。可以看出，有預(yù)緊力時(shí)整機(jī)應(yīng)力分布情況變化不大，但應(yīng)變顯著減小，最大應(yīng)變從5.5mm 減小到3.25mm。可見添加一根長預(yù)緊螺栓能夠顯著減小整機(jī)的應(yīng)變。

圖6 長預(yù)緊拉桿示意圖

圖7 改進(jìn)后無預(yù)緊力時(shí)成型機(jī)的應(yīng)變與應(yīng)力分布

4 6000t、6 缸重型成型機(jī)框架式主機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

模態(tài)分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)的各種模態(tài)特性參數(shù)。其中包括評價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，對未來壓力機(jī)在工作狀況進(jìn)行預(yù)估、分析，檢測和推測現(xiàn)有目標(biāo)系統(tǒng)的振動(dòng)和故障以至于為進(jìn)行該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[4]。通過對伺服壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的各種模態(tài)特性參數(shù)，其中包括評價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，可以明確有害振型和危險(xiǎn)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置，由此指導(dǎo)改進(jìn)系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)，從而改善其動(dòng)態(tài)特性，使之能夠滿足動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度的要求[5]。

4.1 模態(tài)分析方法

4.1.1 模態(tài)分析理論簡介

模態(tài)是結(jié)構(gòu)自身的一種固有屬性，每個(gè)結(jié)構(gòu)都會(huì)有其固定的振動(dòng)特性[6]。不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過不同的模態(tài)特性參數(shù)來描述，表征模態(tài)的特性參數(shù)有模態(tài)振型、阻尼比和固有頻率等。系統(tǒng)各階的模態(tài)都有對應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，各階模態(tài)在層層疊加之后可以得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的情況，可以描述系統(tǒng)的模態(tài)特性[7]。

4.1.2 計(jì)算方法介紹

使用ANSYS Workbench 軟件計(jì)算機(jī)身模態(tài)，求解出機(jī)身模態(tài)特征。該軟件為結(jié)構(gòu)模態(tài)提取提供了7 種求解方法：

（1）子空間迭代法：在特征值對稱時(shí)，可用子空間迭代過程。因其計(jì)算速度快適合解決簡單問題，對于大型、分布廣、帶狀矩陣特征值問題是最高效的解決方法。

（2）蘭索斯法：采用遞歸算法，其計(jì)算式與程序簡單，存儲單元需求少。精度高、運(yùn)算速度快，綜合表現(xiàn)優(yōu)于子空間迭代法。對病態(tài)矩陣計(jì)算效果好，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，但對計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求較高，適用于求解大型的、相對復(fù)雜的問題。

（3）動(dòng)力法：是針對大型模型的方法，是通過先計(jì)算前幾介模態(tài)來反應(yīng)結(jié)構(gòu)響模態(tài)分析有限元模型的建立應(yīng)情況，然后軟件根據(jù)需要自動(dòng)選擇計(jì)算方法。

（4）縮減法：用簡化的系統(tǒng)矩陣求解矩陣，求解速度快但是求解精度較低。

（5）非對稱法：用于求解系統(tǒng)是非對稱矩陣的問題，適用于流、固相互影響的問題。

（6）阻尼法：用于求解系統(tǒng)中小阻尼不可忽略的問題。

圖8 改進(jìn)后有預(yù)緊力時(shí)成型機(jī)的應(yīng)變與應(yīng)力分布

（7）QR 阻尼法：常應(yīng)用于阻尼較大的模態(tài)分析問題。

進(jìn)行模態(tài)分析的流程如下：添加幾何模型—設(shè)置材料屬性—定義接觸區(qū)域—定義網(wǎng)格控制—定義分析類型—添加邊界條件—求解，共計(jì)7 步完成。

4.2 模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果

在結(jié)果中選取機(jī)身前六階的固有頻率和振型進(jìn)行分析，如表1 所示。

表1 框架式主機(jī)機(jī)身前6 階模態(tài)

前六階模態(tài)陣型如圖9 所示。由圖可知前六階模態(tài)主要受激振動(dòng)部件為上橫梁，最大變形達(dá)到0.6mm 為了研究機(jī)身本體的受激響應(yīng)，將上橫梁壓縮后再計(jì)算六階模態(tài)。如表2 所示，前六階模態(tài)陣型如圖10 所示。

表2 壓縮上橫梁后整機(jī)機(jī)身前6 階模態(tài)

圖9 機(jī)身六階模態(tài)示意圖

圖10 壓縮上橫梁后機(jī)身六階模態(tài)示意圖

4.3 分析

基于上述仿真結(jié)果可知，前三階模態(tài)最大變形可達(dá)到0.08mm，后三階模態(tài)最大變形可達(dá)到0.6mm。在有上橫梁時(shí)，前六階模態(tài)主要為上橫梁的變形，前六階模態(tài)為4.8517Hz、5.6893Hz、5.8981Hz、8.2831Hz、8.6382Hz、9.0685Hz。在去除上橫梁僅研究本機(jī)變形時(shí)，前六階模態(tài)分別為整機(jī)的前后擺動(dòng)4.8606Hz、5.6968Hz，整機(jī)左右扭轉(zhuǎn)8.3107Hz，上模前后擺動(dòng)15.176Hz，下模前后擺動(dòng)18.873Hz，上模左右扭轉(zhuǎn)20.167Hz。可見，此十二階模態(tài)下變形量最大不超過0.7mm，在安全范圍內(nèi)，但還應(yīng)避免在模態(tài)對應(yīng)頻率處長期工作，以防引起共振與疲勞失效。

5 結(jié)論

利用ANSYS 軟件對6000t、6 缸重型框架式成型機(jī)主機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的有限元分析，并對其機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析,對于整機(jī)設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議。

（1）原預(yù)緊拉桿施加預(yù)緊力后反而會(huì)加大應(yīng)力和應(yīng)變，并提出了添加一根貫穿左右立柱的豎直長預(yù)緊拉桿的方案，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的方案能夠明顯減小整機(jī)的應(yīng)變情況。

（2）該6000t、6 缸電液數(shù)控成型機(jī)的十二階模態(tài)下變形量最大不超過0.7mm，在安全范圍內(nèi)，同時(shí)為了避免引起共振和改裝備的疲勞失效，建議應(yīng)避免在模態(tài)對應(yīng)頻率處長期工作。