上官林建，杜蔚瓊，嚴(yán)大考

（華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450011）

0 引言

曲柄壓力機(jī)是一種常用的冷沖壓設(shè)備，通常用于金屬薄板的沖壓、折彎和沖孔等冷作工藝，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。曲柄壓力機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在計(jì)算完成所需的數(shù)據(jù)后，用CAD軟件繪制壓力機(jī)的部件總裝圖紙和零件圖紙，然后進(jìn)行零件生產(chǎn)，組裝完成后進(jìn)行整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)試，最終完成整個(gè)機(jī)器的設(shè)計(jì)。這種方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，零件繪制過(guò)程中直觀性較為欠缺，部分零件如機(jī)架等結(jié)構(gòu)件雖然能采用建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的強(qiáng)度理論來(lái)進(jìn)行分析和校核，但計(jì)算量極大，效率不高。因此采用建模功能和有限元分析集成的設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，在零件模型完成后能利用自身的有限元分析功能分析零件在載荷狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，并能對(duì)模型直接修改，這樣就能大大提高設(shè)計(jì)的效率，減少設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本。

1 Solidworks環(huán)境下的零件設(shè)計(jì)

1.1 Solidworks簡(jiǎn)介

Solidworks是Dassault Systemes 公司推出的基于Windows視窗下的三維CAD設(shè)計(jì)軟件。1995年，SRAC公司同Dassault Systemes合作開(kāi)發(fā)了CAE有限元分析軟件COSMOSWorks，作為嵌入式軟件同Solidworks實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫集成。在Solidworks2010中，COSMOS完全整合到Solidworks中（名稱改

為Solidworks Simulation），使得Solidworks可以直接在建模環(huán)境下進(jìn)行零件，裝配體模型的靜態(tài)強(qiáng)度、扭曲、振動(dòng)頻率、疲勞等有限元分析，同時(shí)也可以在Motionm模塊中動(dòng)態(tài)分析零件的慣性力，沖擊載荷[2], 找出構(gòu)件設(shè)計(jì)的不足之處加以修改。

1.2 曲柄壓力機(jī)的零件建模

在Solidworks環(huán)境下進(jìn)行零件建模時(shí)通常采用兩種方法：1）自頂向下建模(Top-Down Modeling)；2）自底向上建模(Down-Top Modeling)。自頂向下建模是預(yù)先完成整機(jī)的基本輪廓特征(稱之為骨架)，然后將骨架的幾何形狀信息發(fā)布到各個(gè)部件，零件以上一級(jí)骨架發(fā)布給本身的幾何信息為參考進(jìn)行建模[3]。自頂向下建模能用整機(jī)頂層的骨架特征來(lái)控制各個(gè)子部件特征的尺寸,修改零件尺寸時(shí)較為方便[3]。其缺點(diǎn)是自頂向下設(shè)計(jì)方法較難掌握，需要在頂部骨架模型的構(gòu)思和建模上耗費(fèi)一定時(shí)間。自底向上建模從底層零件開(kāi)始建模，完成的零件組成裝配體，最后裝配成整機(jī)。自底向上建模方法容易理解，但修改零件的過(guò)程比較繁瑣。曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此采用自底向上的建模方法較為方便。

整機(jī)零件模型創(chuàng)建完成后，進(jìn)行零件裝配體的建模，首先選擇機(jī)身作為基體，然后依次裝配機(jī)架、傳動(dòng)軸等零件。JB23-63開(kāi)式曲柄壓力機(jī)的三維模型如圖1所示。

2 Solidworks環(huán)境下的零件運(yùn)動(dòng)分析

建模完成后，需要對(duì)曲柄壓力機(jī)的裝配體進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，這樣可以查看整個(gè)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否發(fā)生零件干涉的現(xiàn)象。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中運(yùn)動(dòng)分析通常采用兩種方法：1）圖解法；2）解析法。圖解法因其做圖、計(jì)算工作量較大，計(jì)算精度不理想，耗時(shí)較長(zhǎng)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中有較大的局限[4]。解析法計(jì)算精度較圖解法高，缺點(diǎn)是計(jì)算量太大，重復(fù)的計(jì)算極易出錯(cuò)[4]。隨著計(jì)算機(jī)在工程設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算不僅速度快，精度也很理想。JB23-63曲柄壓力機(jī)的曲柄機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

參照?qǐng)D2，根據(jù)解析法，寫出滑塊的位移、速度和加速度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

圖1 曲柄壓力機(jī)的三維模型

圖2 曲柄壓力機(jī)滑塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

滑塊的速度為：

滑塊的加速度為：

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型(3)、(4)、(5)，可以手工計(jì)算出滑塊在某一時(shí)間段內(nèi)的S、V、a的值，然后用插值法繪制出運(yùn)動(dòng)曲線圖，但計(jì)算和繪圖過(guò)程較為繁瑣。Solidworks Motion 模塊可以快速的計(jì)算出滑塊在某一時(shí)間段的位移速度加速度的值，計(jì)算結(jié)果既可以用X-Y曲線圖來(lái)顯示，也可以將運(yùn)行模擬結(jié)果以列表的方式輸出至Excel。進(jìn)入Solidworks的Motion模塊，為小帶輪添加執(zhí)行旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速設(shè)置為720RPM，然后讓機(jī)構(gòu)裝配體按照設(shè)定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來(lái)動(dòng)作。生成的滑塊的位移，速度，加速度曲線圖如圖3～圖5所示。

圖3 滑塊的位移曲線圖

圖4 滑塊的速度曲線圖

圖5 滑塊的加速度曲線圖

忽略三角函數(shù)計(jì)算取舍的誤差，圖中顯示的結(jié)果同公式(3)、(4)、(5)的計(jì)算結(jié)果是完全相同的，因此采用Solidworks Motion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析相對(duì)于手工解析計(jì)算，速度和效率有了明顯的提高。

3 利用Simulation模塊進(jìn)行壓力機(jī)零件結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 壓力機(jī)結(jié)構(gòu)件有限元邊界條件的確定

壓力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，需要確定某些部件的受力情況，以及在工作狀態(tài)下零件受載時(shí)各部分的應(yīng)力、形變量。如果某些部位出現(xiàn)應(yīng)力較大的情況，則該零件在工況下可能出現(xiàn)疲勞屈服，甚至失效，Solidworks中集成的Solidworks Simulation模塊能對(duì)零件模型進(jìn)行實(shí)時(shí)有限元分析，模擬零件在承受特定荷載下，各處應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)，這種分析是直接在建模環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)以壓力機(jī)的機(jī)身為例進(jìn)行分析，壓力機(jī)的曲柄機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 曲柄壓力機(jī)的曲柄機(jī)構(gòu)示意圖

受壓件的壓力通過(guò)滑塊1傳遞到曲柄，然后傳遞到機(jī)架曲柄3的軸承安裝孔上，因此每個(gè)安裝孔承受來(lái)自受壓件的壓力的1/2，方向垂直向上。同時(shí)機(jī)架齒輪軸軸承安裝孔5也承受著大齒輪7傳遞給小齒輪6的力，作用方向垂直于小齒輪6和大齒輪7的中心距，當(dāng)連桿2和曲柄3垂直時(shí)，曲柄的力矩達(dá)到最大。此時(shí)作用在小齒輪為750mm，大小齒輪齒寬均為100mm，設(shè)定兩個(gè)安裝孔的受力分別為F1、F2，根據(jù)靜力矩平衡公式,

可以計(jì)算出小齒輪軸兩端的受力分別為F1=21261.77N, F2=297664.75N。

設(shè)定工作臺(tái)面為固定支撐，曲柄軸承安裝孔和小齒輪軸軸承安裝孔為力的作用面，這樣就確定了機(jī)架有限元分析的邊界條件。

3.2 Simulation分析參數(shù)的確定

根據(jù)3.1節(jié)確定的邊界條件，在Solidworks建模環(huán)境中進(jìn)入Simulation模塊，為機(jī)身模型新建一個(gè)靜態(tài)算例，首先為模型指定材料，這里為機(jī)身模型指定灰鑄鐵HT200。然后為模型添加固定約束，Solidworks提供了“固定幾何體”、“滾柱/滑桿”、“彈性支承”等各種約束條件[2]，根據(jù)零件的工作狀況，選擇工作臺(tái)面添加X(jué)YZ方向幾何體固定約束。隨后設(shè)置模型荷載，壓力機(jī)設(shè)計(jì)的公稱壓力為630KN，選擇模型上的兩個(gè)曲柄軸承安裝孔的面作為力的作用面，作用荷載為0.5倍的公稱壓力。然后在小齒輪軸承安裝孔上建立齒輪副的齒向載荷，過(guò)小齒輪安裝孔的軸線新建一個(gè)基準(zhǔn)面，令該基準(zhǔn)面和水平面的夾角為齒輪中心線同水平面的夾角α，力的方向垂直于該基準(zhǔn)面,這樣就設(shè)定了機(jī)身所受的齒向載荷[3]。

3.3 劃分構(gòu)件網(wǎng)格并進(jìn)行有限元計(jì)算

同ANSYS等專業(yè)的有限元分析軟件類似，Solidworks Simulation的網(wǎng)格劃分也同樣根據(jù)目標(biāo)模型的幾何特征來(lái)建立的[2],但沒(méi)有提供如四面體、六面體等網(wǎng)格類型的選擇，只提供了網(wǎng)格精細(xì)度的調(diào)節(jié)選項(xiàng)。在網(wǎng)格劃分工具界面里，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和需要的計(jì)算精度拖動(dòng)滑塊，系統(tǒng)就根據(jù)模型外形來(lái)生成有限元網(wǎng)格[2]。最后執(zhí)行有限元求解程序，進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。參照?qǐng)D7的應(yīng)變結(jié)果，利用Simulation提供的探測(cè)工具，測(cè)得左右兩側(cè)曲柄軸承安裝孔的形變數(shù)據(jù)分別為3.8mm和4.5mm，右側(cè)軸承孔的位移相對(duì)于左側(cè)大0.7mm，這樣在機(jī)器運(yùn)行時(shí)會(huì)造成兩軸承不對(duì)中，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使得軸承磨損，軸承壽命減小。同時(shí)從圖中也能看出，機(jī)身的最大形變位移達(dá)到了5.7mm之多，這是因?yàn)闄C(jī)身兩側(cè)壁厚較薄引起的，進(jìn)入零件編輯環(huán)境，將兩側(cè)壁厚由60mm改為80mm，這樣不僅兩側(cè)軸承孔的形變位移變得趨于相等，而且機(jī)身的最大形變位移也縮小到2.4mm。

圖7 機(jī)身變形有限元計(jì)算結(jié)果

4 零件二維工程圖的生成

零件模型設(shè)計(jì)完成以后，將曲柄壓力機(jī)的三維模型轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)用的二維工程圖，新建空白的模板后，選擇合適的視圖方向，根據(jù)表達(dá)需要，添加如剖視圖、局部視圖、詳細(xì)視圖等圖形要素。對(duì)于裝配圖而言，需要生成材料明細(xì)表，要注意在“零件配置分組”中選中“將同一零件的所有配置顯示為一個(gè)項(xiàng)目”選項(xiàng)，這樣明細(xì)表就會(huì)正確的統(tǒng)計(jì)出每個(gè)零件的數(shù)量[3]。然后在圖幅中點(diǎn)擊明細(xì)表放置位置，這樣就生成了材料明細(xì)表。最后在各個(gè)視圖自動(dòng)生成零件序號(hào)，編寫技術(shù)要求，完成用于生產(chǎn)的二維工程圖。

5 結(jié)論

1）利用Solidworks進(jìn)行曲柄壓力機(jī)的設(shè)計(jì)，零件模型繪制完成后用Solidworks Motion模塊進(jìn)行裝配體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，從而迅速的得到特定零件在某一時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)曲線圖，對(duì)于難以寫出或者無(wú)法寫出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的機(jī)構(gòu)，用Motion模塊能迅速的得到所需要的數(shù)據(jù)，為以后機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了借鑒。

2）利用Solidworks Simulation模塊，能在不借助第三方FEA軟件的前提下，分析零件模型在特定載荷下的應(yīng)力分布情況和受力變形情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合適的情況就能直接在零件編輯環(huán)境下修改，然后再繼續(xù)分析，避免了零件模型多次導(dǎo)入第三方FEA的繁瑣過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。

3）Solidworks工程圖的材料清單功能可以正確的統(tǒng)計(jì)出裝配體中零件、標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量。避免了人工統(tǒng)計(jì)各個(gè)零件數(shù)量極容易出錯(cuò)的情況，提高了圖紙的質(zhì)量。

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