徐維錚 徐 波 劉春正 鄭衛(wèi)剛

(武漢理工大學交通學院，湖北 430063)

當前船體曲板加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動化程度較低，還處于半人工半機械加工狀態(tài)。國內(nèi)造船廠在船體外板加工時運用的三角樣板制作耗時長、資源浪費嚴重。活絡樣條因其固有缺陷而存在手工調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)精度低等問題。因此，對這種制作工藝進行機械化、自動化改造十分必要。本文提出的構(gòu)想是利用液壓桿代替當前的活絡樣條立桿，通過液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動拉桿從而使樣條成型，控制界面同時顯示理論成型和實際成型，通過兩者的對比后進行二次校正。

1 液壓樣條建模仿真設計

1.1 液壓樣條的組成和工作流程

液壓樣條主要包括以下幾個部分:懸掛液壓桿(圖1)、控制變形液壓桿(圖2、圖3)、柔性鋼帶(圖4)、龍門架(圖5)。其工作流程是:通過位移傳感器精確控制龍門架沿鋼板長度方向的移動距離，到達某一肋位處，通過液壓控制界面控制液壓桿組的運動，實現(xiàn)柔性鋼帶的彎曲成形，并通過操作界面上的理論成形樣條曲線對比，進行二次校正，校正后，調(diào)節(jié)懸掛液壓桿的控制成形后的柔性鋼帶與鋼板，進行彎曲校正。

1.2 液壓樣條建模仿真

圖1～圖5 是液壓樣條建模仿真圖。

2 液壓樣條工作原理分析

2.1 液壓桿組控制系統(tǒng)

液壓桿組控制系統(tǒng)運行圖見圖6。

2.2 液壓樣條成形操作平臺

此操作平臺(圖7)專為精確地校驗水火彎板工人師傅彎板的成形效果設計，不同的操作員分別具有不同的用戶名和密碼。操作員登錄液壓樣條成形工作界面后，選定工作所需的串口和波特率，點擊“打開串口”來打開相應的串口。然后點擊“l(fā)oad…”按鈕，從數(shù)據(jù)庫中導入選定的樣條成形數(shù)據(jù)，即為七個液壓桿對應的不同位置的位移量，顯示在相應的方格中，同時，相應的運行速度也顯示在方格中?？刂齐娐房刂埔簤罕玫妮斢土縼砜刂埔簤簵U的精確成形。點擊“matlab 導入”按鈕，在操作界面下方的圖形顯示空格中，將會顯示出相應的液壓樣條成形的理論圖形。待所有準備工作完成之后，點擊右上角開始按鈕，電機工作控制液壓機按要求的速度和最終位移量開始動作。當液壓機動作結(jié)束后，對應的狀態(tài)顯示變?yōu)椤巴瓿伞弊謽樱硎竟ぷ魍瓿?。待所有液壓機工作完成后，點擊“歸零”按鈕，電機控制液壓機運動回最初位置，相應顯示恢復到工作之前狀態(tài)。

圖7 液壓樣條成形操作平臺Figure 7 Operation platform of hydraulic spline formation

3 鋼帶變形有限元分析

3.1 簡化分析模型

在ANSYS 軟件中建立實體模型。由于實體模型為有7 個可動支撐點的鋼帶，且柔性鋼帶的兩端是完全自由端，與結(jié)構(gòu)力學中所學的有剛性支座的梁的彎曲變形不同，柔性鋼帶的變形嚴格來說是一個非線性的動力學問題，精確求解需要用到彈塑性理論和接觸理論。為了簡化模型，在這里我們不考慮中間5 個節(jié)點在變形過程中所受的摩擦力。在7 個支撐點加垂向力使其自由彎曲，在兩端加上方向相反的摩擦力，兩端的位移約束為自由支持。分析受力最大的情況下，觀察在達到所需要的彎曲擾度時，最大應力是否超出了許用應力。簡化模型如圖8 所示。

3.2 定義單元類型及材料屬性

采用2 node 188 梁單元進行分析，彈性模量為205 GPa，泊松比為0.28，密度為7820 kg/m3，屈服應力為220 MPa。由于柔性鋼帶為空間規(guī)則幾何體，故選用平面單元。在material models 中依次輸入彈性模量、泊松比和密度。

3.3 有限元網(wǎng)格的劃分

按照柔性鋼帶長度劃分節(jié)點數(shù)，節(jié)點數(shù)從中間向兩端依次減少。對鋼帶模型進行網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖9 所示。

3.4 約束和載荷處理

約束邊界條件如圖10 所示。

3.5 分析結(jié)果

模型變形后的輪廓位置如圖11 所示，最大位移為154 mm，圖12 應力圖中的最大應力為137 MPa，小于220 MPa。

從ANSYS 中查看各節(jié)點的受力情況，無論位移還是應力都在材料取用范圍之內(nèi)。故在極限受力狀態(tài)下，所分析的梁單元仍保持在彈性變形范圍之內(nèi)，因此只需在調(diào)節(jié)過程中保持同時不同速的調(diào)節(jié)方式，無塑性變形?？梢詽M足液壓樣條的力學要求。

4 結(jié)論

(1)本文提出了液壓樣條的構(gòu)想，并通過建模和有限元分析，得知通過液壓桿的控制完全可以實現(xiàn)在水火彎板現(xiàn)場精確矯正鋼板變形的需要。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的活絡樣條的手工調(diào)節(jié)，操作人員只需通過操作平臺即可實現(xiàn)彎板的檢測和矯正，實現(xiàn)船廠彎板檢測的機械化和自動化。(2)本文的操作界面和模型的建構(gòu)是一種虛擬的仿真，ANSYS 有限元的受力分析也僅僅是一種簡化的力學模型分析。如果該設想能夠轉(zhuǎn)化為實物模型并通過實驗進行一系列的測量和修正，那么對于實現(xiàn)節(jié)能和能源的可持續(xù)利用有重大的意義。

［1］邵天駿.鋁質(zhì)多功能活絡樣條.船艇，1991，02:16.

［2］高真所.活絡樣條在船體建造中的應用［J］.造船技術，1992，08:25-27.

［3］劉集善.鋁質(zhì)活絡加工樣板的使用.造船技術，1992，05:23-26.

［4］滬東中華造船(集團)有限公司.萬能樣板條:上海CN200820058691.0［P］.2008-5-21.

［5］汪驥.水火彎板自動化加工工藝的關鍵技術研究［D］.大連理工大學博士學位論文，2006.

［6］廖保華.船體外板數(shù)控測量裝置研究.武漢理工大學碩士學位論文，2008.5.

［7］徐業(yè)峻.船體曲面鋼板成形自動化檢測方法研究［D］.大連理工大學碩士學位論文，2008.

［8］大連造船廠.船體外板展開及活絡加工樣板計算程序［Z］.大連造船廠，項目年度編號:90210036.