張 杰，黃宗興，費國強，王超君

（1.亳州聯(lián)滔電子有限公司，安徽亳州 236800；

2.湖州師范學(xué)院，浙江湖州 313000；3.湖州思達(dá)機械制造有限公司，浙江湖州 313023）

0 前言

在木板行業(yè)飛速發(fā)展的今天，對于木板熱壓機的工作性能需求也是在不斷的提高[1]。木板熱壓機專門實現(xiàn)人造板的貼面工藝，是人造板生產(chǎn)線中最主要的生產(chǎn)加工設(shè)備[2]。它經(jīng)常處于幾千噸液壓載荷下工作，久而久之就會出現(xiàn)較大的彈塑性變形，整個框架極易產(chǎn)生工作疲勞損傷，甚至局部結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致出現(xiàn)重大生產(chǎn)安全事故。由于框架結(jié)構(gòu)是木板熱壓機的承載主體，故其設(shè)計的合理性將直接影響木板熱壓機的使用壽命[3]。

本文將熱壓機的框架結(jié)構(gòu)經(jīng)過受力分析，并做出優(yōu)化使得熱壓機在原有的框架基礎(chǔ)上進行改進，旨在開展基于三維建模技術(shù)和有限元分析的熱壓機框架結(jié)構(gòu)的分析研究。對熱壓機框架進行有限元的應(yīng)力仿真分析目的找出容易發(fā)生斷裂和大變形的區(qū)域，并對其結(jié)構(gòu)進行改進，以延長使用壽命[4]。

1 熱壓機框架的建模及受力分析

根據(jù)工廠測得的熱壓機框架詳細(xì)尺寸，借助Pro/E 5.0分別繪制框架各組成部件并進行相應(yīng)的組裝，得到完整的木板熱壓機框架實體模型如圖1所示。

圖1 木板熱壓機框架實體模型

熱壓機框架受力可看作是對稱負(fù)荷。側(cè)支撐板基本不受橫向力的作用，上、下底板一端承受熱壓板傳來的均勻負(fù)荷，一端承受液壓缸法蘭的支撐反力。由于框架上、下底板的剛度對于側(cè)支撐板來說并非無窮大，也就造成側(cè)支撐板不僅只承受純拉力作用，而同時受到一定的附加彎矩作用，使框架拐角處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，出現(xiàn)很大的局部應(yīng)力集中，造成側(cè)支撐板側(cè)向變形，側(cè)支撐板工作受載和變形簡圖如圖2所示。如果框架整體的剛度變差，附加彎矩還會增加，在局部應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)低周循環(huán)載荷疲勞裂紋，從而可能導(dǎo)致工作中的整體框架出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。此外，上、下底板的剛度不足一方面影響制品的質(zhì)量，另一方面則使支承液壓缸的受力惡化。側(cè)支撐板的剛性不良，則導(dǎo)致熱壓板與活動橫梁運動受阻。因此在框架的設(shè)計中，要確保上、下底板的剛度，減小附加彎矩的影響，盡力把它限制在一定的范圍內(nèi)。

圖2 熱壓機框架側(cè)支撐板受力簡圖

2 應(yīng)力仿真分析

2.1 靜力計算理論基礎(chǔ)

本文框架靜力學(xué)仿真分析屬靜力學(xué)彈性應(yīng)力分析。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)線性分析總的等效方程為：

式（1）中：[K]是整體結(jié)構(gòu)單元剛度矩陣，﹛u﹜是單元節(jié)點位移列陣；﹛F﹜是總外載荷列陣。

通過求解矩陣方程（1）式，可得所有單元節(jié)點的位移列陣。根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)定義的幾何方程、物理方程和本構(gòu)關(guān)系求得單元節(jié)點的應(yīng)變和應(yīng)力，單元節(jié)點的應(yīng)變和應(yīng)力計算表達(dá)式如下：

式（2）、（3）中：﹛ξe﹜是單元節(jié)點應(yīng)變列陣；[B]是應(yīng)變矩陣；﹛σ﹜是單元節(jié)點應(yīng)力列陣；[D]為彈性矩陣，它取決于材料的彈性模量E與泊松比μ。通過求解式（2）和（3），可得整體框架結(jié)構(gòu)中各節(jié)點的彈性應(yīng)力和彈性應(yīng)變[5]。

2.2 FEA建模計算

由于木板熱壓機框架結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，取1/4三維實體模型，導(dǎo)入ANSYS12.0后劃分網(wǎng)格[6]如圖3所示。

圖3 1/4框架FEA模型

本文所選熱壓機框架的噸位是2 800噸，所以就四分之一的框架的載荷按（4）式計算：

熱壓機框架FEA網(wǎng)格模型建立后，通過AN?SYS軟件中的拾取點的功能，在下底板上均勻的拾取了1 789個點，而在上方兩個承受力的法蘭圈上則均勻的拾取了444個點。根據(jù)牛頓第三定律，應(yīng)確保施加于上方兩個法蘭圈上的總作用力嚴(yán)格等于熱壓機下底板上所承受的總壓力，如此熱壓機框架的上底板是通過法蘭圈的力傳遞起作用，而下底板則直接受到均勻的壓力作用。由于在實際生產(chǎn)過程中，整個機架通過地腳螺栓連接到地基上，因此熱壓機框架的底部節(jié)點約束為全約束，而由于應(yīng)力分析的框架的大小為原框架的四分之一，所以還需對熱壓機框架已切除的面上施加對稱約束。至于于在頂端支撐熱壓機所用油箱的筋條，由于整個油箱在受力中被忽略了，但是此筋條也起到了支撐作用，而且也是對稱的，所以在此處也應(yīng)加上對稱約束。

2.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置好所有的邊界約束條件，直接采用AN?SYS求解器進行應(yīng)力計算，并對應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果進行針對性分析。圖4所示為木板熱壓機1/4框架的等效位移圖，可見熱壓機的最大等效位移位于油缸法蘭所處的上底板位置，最大位移可達(dá)2.874 mm，這一位移結(jié)果符合原有的木板熱壓機現(xiàn)場工作時上底板產(chǎn)生較明顯的彎曲變形。圖5所示表明熱壓機工作過程中，最大集中應(yīng)力發(fā)生于側(cè)支撐板拐角處，并且應(yīng)力值達(dá)到了617.262 MPa，遠(yuǎn)超Q235材料本身的屈服強度，由于線性靜力計算未計及材料熱壓機工作時塑性變形后結(jié)構(gòu)內(nèi)部載荷會重新分配的影響，故該彈性集中應(yīng)力值僅表明結(jié)構(gòu)在該拐角的應(yīng)力集中系數(shù)偏大，應(yīng)該考慮進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低有害的應(yīng)力集中現(xiàn)象，確保結(jié)構(gòu)處于健康的工作狀態(tài)。

圖4 1/4熱壓機框架等效位移

圖5 1/4側(cè)支撐板拐角處最大等效應(yīng)力

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 優(yōu)化前側(cè)支撐板形狀

根據(jù)上述的彈性靜力仿真分析，可知側(cè)支撐板拐角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)合工廠施工現(xiàn)場以及快速可行的修補措施后，本文提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案如圖6，7，兩者對優(yōu)化前后的局部結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)的對比。圖8通過三維結(jié)構(gòu)更加形象地描述了優(yōu)化設(shè)計后的三維實體結(jié)構(gòu)，即在側(cè)支撐板與上底板交界的拐角處（應(yīng)力集中最大處）擴大圓弧倒角[7]。

圖7 優(yōu)化后側(cè)支撐板形狀

圖8 修改后1/4三維實體模型

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的FEA模型受載情況和邊界條件定義沒有發(fā)生任何改變，故仍按照原有設(shè)置的條件和材料參數(shù)導(dǎo)入ANSYS計算，得出如圖9所示的1/4框架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力降至232.432 MPa，稍低于框架材料Q235的屈服強度235 MPa，即有效避免了木板熱壓機的框架在工作狀態(tài)下不發(fā)生材料循環(huán)累積屈服而致結(jié)構(gòu)疲勞失效發(fā)生[8]。

圖9 優(yōu)化后框架的最大等效應(yīng)力

表1 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對照圖

表1詳細(xì)對比了木板熱壓機框架優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力區(qū)間和最大等效位移區(qū)間，顯然結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整體框架的最大等效應(yīng)力值降到材料屈服強度以下，最大等效位移也下降了35%左右，如此設(shè)計可確保了熱壓機在最大設(shè)計載荷下正常穩(wěn)定工作，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計目的。

4 結(jié)論

根據(jù)上述木板熱壓機框架局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力仿真分析結(jié)果和對照，首先可清楚看到框架上下底板的最大等效位移為1.831 mm，比優(yōu)化設(shè)計前的最大變形2.874 mm要小了1 mm多，降低36.3%，可見加了側(cè)面支撐板的拐角處增加倒角半徑相當(dāng)于增設(shè)了加強筋的方法，總體上效果還不錯；其次，在優(yōu)化后的框架上沿和下沿的應(yīng)力集中處，框架整體最大等效應(yīng)力計算結(jié)果由617.262降至232.432 MPa，降幅達(dá)到62.3%，稍低于熱壓機框架所采用的Q235材料的屈服強度極限，而且優(yōu)化后的熱壓機倒角處的應(yīng)力分布較沒有修改前時的應(yīng)力分布更加均勻，如此可有效減少木板熱壓機在每一次工作循環(huán)過程的局部應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)發(fā)生循環(huán)塑性變形累積，大幅增加了木板熱壓機整體框架的使用壽命；最后，基于ANSYS的等效應(yīng)力仿真計算可以為木板熱壓機相關(guān)機械設(shè)備的強度優(yōu)化設(shè)計提供可行的設(shè)計方法。

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