朱海劍

(常州貝斯塔德機械股份有限公司，江蘇常州 213023)

0 引言

機架在磨拋機工作過程中主要起到上盤組件、下盤組件的固定與支撐作用。在上盤對下盤施壓的過程中，機架容易產(chǎn)生較大的應力和變形，機架的強度與剛度直接影響機器磨拋的精度。因此，設(shè)計時必須能預測并合理控制機架的強度和剛度。

在機架的設(shè)計中，運用三維設(shè)計軟件Solidworks設(shè)計三維模型，再導入到模擬仿真軟件ANSYSWorkbench中對機架進行有限元分析，從而滿足設(shè)計要求，保證機架結(jié)構(gòu)的可靠性，為進一步的優(yōu)化改進提供數(shù)據(jù)指導。

1 機架三維模型的設(shè)計及有限元分析

1.1 三維模型的建立

設(shè)計完成后的磨拋機工作總圖如圖1，機架模型采用三維軟件SolidWorks建模，由于下盤組件的重量與上盤對下盤組件的壓力相比，對機架變形有顯著的影響，因此，模型中包含了下盤組件，為了分析方便，模型中去除了倒角、圓角、螺栓孔等對計算結(jié)果僅有細微影響的特征，如圖2，再轉(zhuǎn)化為 (*.x_t)格式［1］導入到ANSYSWorkbench中進行分析。

1.2 定義材料屬性

機架材料選用Q235，在ANSYSWorkbench材料庫EngineeringData中選用 Structural Steel，其具體性能參數(shù)見表 1［2］。

圖1 磨拋機工作總圖

圖2 機架模型

表1 機架材料性能參數(shù)

1.3 定義接觸類型

磨拋機3個機架分體間連接方式為12個M20的螺栓連接，連接面間有較大的摩擦阻力，可以直接假設(shè)此連接為剛性連接［3］，機架分體間相互滲透，不

考慮接合面和螺栓接觸面的變形，contacts(接觸)類型選用系統(tǒng)默認類型Bonded。

1.4 劃分網(wǎng)格

設(shè)定Element Size(單元大小)為30 mm，有限元網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)350 246，單元數(shù)179 436，結(jié)果如圖3。

1.5 施加約束和載荷

磨拋機機架固定放置在地面，不能有位移，約束形式選擇Fixed Support(固定約束)，施加面為機架分體3下部與地面的接觸面。磨拋機包含4個上盤組件、1個下盤組件，工作過程中，4個上盤組件可以單獨工作，對下盤組件施壓，也可以共同工作［4］。本文分析4個上盤共同工作時的極限狀態(tài)，每個上盤對下盤有最大1 500 N的壓力，每個上盤施加壓力時對機架分體2有最大750 N+750 N的反作用力，并定義機架及下盤的自重 Standard Earth Gravity:9806.6 mm/s2，如圖 4。

圖3 網(wǎng)絡(luò)劃分

圖4 施加約束與載荷

1.6 模型求解及結(jié)果分析

求解后，機架應力分布云圖，如圖5，應力較大位置主要集中在在機架分體2上上盤組件固定部位、機架分體3上下盤組件固定部位及兩側(cè)支撐柱上，最大應力處為機架分體2上工字鋼加強筋的端部，大小為6.6496 MPa，滿足強度要求。變形分布云圖，如圖6，變形較大位置主要集中在機架分體2上上盤組件固定部位，最大變形0.027 618 mm，滿足剛度要求。

圖5 應力分布云圖

圖6 變形分布云圖

2 改進優(yōu)化

由圖6變形分布云圖可見，相比機架其他部位，機架分體2固定上盤組件部位變形較大，可針對此部位進行局部加強，在機架分體2上工字鋼側(cè)部和端部各添加一塊16 mm筋板，改進后模型如圖7。經(jīng)過前面分析步驟，得到改進后模型的應力分布云圖和變形分布云圖，見圖8和圖9。由圖8、圖9對比圖5、圖6可以得出如下結(jié)論。

(1)機架應力最大位置出現(xiàn)在圖8中機架分體3的筋板上，應力最大值由原先的6.6496 MPa變?yōu)楦倪M后的 3.6829 MPa。

(2)機架變形最大位置依然集中在圖9中機架分體2上，但變形最大值由原先的0.276 18 mm變?yōu)楦倪M后的0.011 627 mm。

圖7 改進后模型

圖8 改進后模型應力分

圖9 改進后模型變形分布云

3 結(jié)語

主要設(shè)計了新型精密磨拋機機架，并計算分析磨拋機機架在靜態(tài)極限工作狀態(tài)下的受力、變形情況，校核設(shè)計是否達到預期效果和設(shè)計要求，通過有限元分析結(jié)果，直觀的觀察到磨拋機機架在極限工作載荷下的強度、剛度的強弱分布，通過針對性的局部加強，使設(shè)計更加成熟，機架的強度、剛度得到了明顯改善，進一步保證了磨拋機的工作穩(wěn)定性，使磨拋機的工作性能有了新的提升。

［1］ 黃志新，劉成柱.ANSYSWorkbench 14.0超級學習手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2013.

［2］ 曾正明.機械工程材料手冊-金屬材料［M］.第7版.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張洪武.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］ 李 冰，郭 霞，劉 瑩，等.藍寶石基LED外延片背減薄與拋光工藝研究［J］.半導體技術(shù)，2005(6):12-15.