大型立式脹管機(jī)擴(kuò)口座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

儲 杰， 祝夢臣， 尤永貴， 曹可可， 陳 韜

(黃山三佳誼華精密機(jī)械有限公司， 安徽 黃山 245041)

熱交換器作為制冷散熱的關(guān)鍵部件，在空調(diào)、冰箱、船舶和汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。管片式熱交換器使用范圍和應(yīng)用場合較廣，結(jié)構(gòu)緊湊。翅片和銅(鋁)換熱管是熱交換器的重要組成部分，在組成產(chǎn)線的各類裝備中，脹管機(jī)和換熱翅片級進(jìn)模承擔(dān)了主要功能[4-5]。脹管機(jī)將翅片和U型銅管脹接在一起，可分為立式和臥式。立式脹管機(jī)已問世30年，并衍生出100多種型號[6]。在立式脹管過程中，由于關(guān)鍵零部件的變形過大，易出現(xiàn)脹管不到位，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。為解決此問題，對脹管機(jī)擴(kuò)口座部件進(jìn)行有限元分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。谷萬林等[4]研發(fā)了一種多功能智能化全自動脹管機(jī)，在原有脹管機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，融合了自動輸送線、機(jī)器人等智能化輔助設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率。方豪等[7]對脹管機(jī)夾爪進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了夾爪結(jié)構(gòu)，提高了夾爪壽命與夾持能力。畢德耀[8]研發(fā)出空調(diào)制冷換熱器超大型脹管機(jī)，增加了可移動翅片模定位系統(tǒng)，降低了銅管的收縮率。王薔等[6]針對現(xiàn)有脹管機(jī)掛裝門結(jié)構(gòu)影響上料、下料工序的效率，研發(fā)了旋轉(zhuǎn)門工作臺，通過設(shè)置動力裝置使得掛裝門可自動旋轉(zhuǎn)180°，提高了工作效率。肖世文[9]研發(fā)了數(shù)控強(qiáng)制式脹管機(jī)，在脹制銅管時(shí)對其兩端施加約束使其固定，并采用伺服驅(qū)動代替原有的液壓驅(qū)動，取得了較好的效果。

目前，許多脹管機(jī)仍然停留在憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)階段，導(dǎo)致在新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)往往反復(fù)修改。本文以脹管機(jī)擴(kuò)口座為對象，進(jìn)行靜力學(xué)分析、響應(yīng)面優(yōu)化和模態(tài)分析，在合理參數(shù)范圍內(nèi)取最小變形，避免擴(kuò)口座在工作過程中過大變形導(dǎo)致擴(kuò)口不到位和共振問題。

1 擴(kuò)口座靜力學(xué)分析

立式脹管機(jī)通過脹頭壓入穿好翅片的銅管，實(shí)現(xiàn)翅片與銅管緊密接觸。通過伺服電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)過噴油、脹管、擴(kuò)口、翻邊完成換熱器加工工藝，主要結(jié)構(gòu)包括脹桿脹管裝置、無收縮夾緊裝置、接收裝置、擴(kuò)口裝置和電控裝置。擴(kuò)口裝置作為脹管機(jī)的關(guān)鍵部分之一，直接決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計(jì)的脹管機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

(a)正面 (b)側(cè)面

選取脹管機(jī)擴(kuò)口座部分，在三維軟件中建立擴(kuò)口座裝配體模型與ANSYS Workbench軟件的關(guān)聯(lián)，選擇靜力學(xué)Static Structual模塊，擴(kuò)口座材料為Q235，其屬性如表1所示。

表1 仿真材料Q235屬性表

為保證擴(kuò)口質(zhì)量，取脹管機(jī)擴(kuò)口極限工況進(jìn)行模擬分析，取擴(kuò)口力80 000 N，對滑塊和絲杠處施加約束，載荷和約束施加圖如圖2所示。網(wǎng)格大小直接決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在擴(kuò)口座的網(wǎng)格劃分中取最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，共劃分網(wǎng)格337 931個(gè)，單元數(shù)618 409個(gè)。擴(kuò)口座位移云圖如圖3所示，擴(kuò)口座應(yīng)力云圖如圖4所示。擴(kuò)口座最大變形出現(xiàn)在中間部位，為0.289 26 mm，變形較大,將影響擴(kuò)口質(zhì)量；最大應(yīng)力為30.056 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。

圖2 載荷與約束施加圖

圖3 擴(kuò)口座位移云圖

圖4 擴(kuò)口座應(yīng)力云圖

2 優(yōu)化分析

由靜力學(xué)分析可知，擴(kuò)口座在滿載工況下的最大變形為0.289 26 mm，變形較大,將影響擴(kuò)口質(zhì)量，因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。擴(kuò)口座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對變形量影響的因素較多。為準(zhǔn)確快速找到影響較大的因素，采用Workbench中多變量響應(yīng)面優(yōu)化方法，以最大變形為目標(biāo)，進(jìn)行多變量優(yōu)化分析。擴(kuò)口座結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，選取擴(kuò)口座縱邊厚P1、橫邊厚P2、高度P3、加強(qiáng)筋寬P4、底板厚P5作為優(yōu)化參數(shù)，并給出優(yōu)化參數(shù)的合理范圍，在參數(shù)范圍內(nèi)求取最優(yōu)解。為綜合分析各因素對變形量的影響，進(jìn)行相關(guān)因素的靈敏度分析，選取參數(shù)范圍如表2所示。

圖5 擴(kuò)口座結(jié)構(gòu)圖

表2 設(shè)計(jì)的參數(shù)變化范圍 單位：mm

靈敏度反映了各參數(shù)對變形的影響，可為優(yōu)化提供參考，靈敏度分析結(jié)果如圖6所示。擴(kuò)口座橫邊厚P2、高度P3、底板厚P5對最大變形影響較大。高度P3對變形影響最大，為36.033%；橫邊厚P2次之，為32.873%；縱邊厚P1和加強(qiáng)筋寬P4對變形影響較小。

圖6 靈敏度分析結(jié)果

選取P2、P3、P5對擴(kuò)口座變形的響應(yīng)面。P2和P3對變形的響應(yīng)面如圖7所示，P3和P5對變形的響應(yīng)面如圖8所示，P2、P3、P5與最大變形量呈線性關(guān)系，隨著P2、P3、P5增大，最大變形量逐漸減小。

經(jīng)Workbench中Response Surface Optimization模塊迭代得出：P1為25 mm、P2為25 mm、P3為250 mm、P4為20 mm、P5為40 mm時(shí)，最大變形量最小。由于P1和P4對變形影響較小，對參數(shù)值仍然采取原值。經(jīng)過綜合考慮，即選取P1為20 mm、P2為25 mm、P3為250 mm、P4為15 mm、P5為40 mm作為優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行模型重建。優(yōu)化后擴(kuò)口座位移云圖如圖9所示，優(yōu)化后擴(kuò)口座應(yīng)力云圖如圖10所示。優(yōu)化后，擴(kuò)口座的最大變形為0.192 08 mm，減小33.60%；最大應(yīng)力為20.727 MPa，減小31.04%。

圖10 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

3 模態(tài)分析

為防止優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象，對優(yōu)化后的擴(kuò)口座部分進(jìn)行模態(tài)分析[10]。擴(kuò)口座優(yōu)化后的振型圖如圖11所示，固有頻率如表3所示，一階固有頻率為95.207 Hz。電機(jī)對擴(kuò)口座的激振頻率[11]：

(1)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；δ為誤差(一般取50)。本文脹管機(jī)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，由此可知電機(jī)對擴(kuò)口座的最大激振頻率為68.33 Hz，而擴(kuò)口座固有頻率最低為95.207 Hz，大于68.33 Hz，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

(a)一階振型圖 (b)二階振型圖

(c)三階振型圖 (d)四階振型圖

(e)五階振型圖 (f)六階振型圖

表3 模態(tài)固有頻率

4 結(jié) 語

基于ANSYS Workbench中Response Surface Optimization模塊，以最大變形量為目標(biāo)對脹管機(jī)擴(kuò)口座進(jìn)行多變量響應(yīng)面優(yōu)化。結(jié)果表明：擴(kuò)口座橫邊厚P2、高度P3、底板厚P5對最大變形影響較大，縱邊厚P1和加強(qiáng)筋寬P4對變形影響較小，P2、P3、P5與最大變形量呈線性關(guān)系，隨著P2、P3、P5增大，最大變形量逐漸減小。優(yōu)化前擴(kuò)口座最大變形為0.289 26 mm，最大應(yīng)力為30.056 MPa；優(yōu)化后最大變形為0.192 08mm，減小33.60%；最大應(yīng)力為20.727 MPa，減小31.04%。對優(yōu)化后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，最小頻率為95.207 Hz，而脹管機(jī)電機(jī)頻率在68.33 Hz以下，避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。