陳惠娟,姜 峰,李吉萍

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730314)

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300 MN薄板成型壓機(jī)框架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳惠娟,姜 峰,李吉萍

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730314)

采用有限元方法對(duì)300 MN多缸薄板成型壓機(jī)框架進(jìn)行了應(yīng)力分析,查看應(yīng)力集中情況,并對(duì)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的初始圓角進(jìn)行局部?jī)?yōu)化,得出圓角最優(yōu)變量值。再結(jié)合各種常見(jiàn)的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu),賦予變量參數(shù),進(jìn)行局部集中應(yīng)力優(yōu)化,找出最優(yōu)過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu),以改善壓機(jī)框架應(yīng)力集中的情況。

壓機(jī)框架;液壓機(jī);應(yīng)力分析;圓角優(yōu)化

薄板是板式換熱器的主要組成部分之一,其壓制精度要求較高,傳統(tǒng)的薄板成型液壓機(jī)由于自身工作臺(tái)的變形量大,并且隨著液壓機(jī)噸位的提高,工作臺(tái)變形量增大,導(dǎo)致作用于模具上的載荷不均勻,不能滿足實(shí)際生產(chǎn)中的精度要求。近期我公司自主研發(fā)的300 MN多缸薄板成型液壓機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓機(jī)),近乎均布的多個(gè)油缸同時(shí)作用工作臺(tái)成型,降低了工作臺(tái)自身受力不均導(dǎo)致的變形,使得模具受力更加均勻,壓制的薄板成型產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、精度高。

機(jī)架是壓機(jī)的主體,設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到壓機(jī)的整體強(qiáng)度及工作精度,國(guó)內(nèi)不少學(xué)者在機(jī)架這方面進(jìn)行了探索分析[1-6],由于我們所研究的壓機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬空白,沒(méi)有查閱到相關(guān)機(jī)組的研究報(bào)導(dǎo),在不清楚框架應(yīng)力集中規(guī)律的情況下,盲目增加材料,不僅會(huì)增加成本,而且未必達(dá)到效果。

針對(duì)上述情況,以壓機(jī)框架為研究對(duì)象,運(yùn)用有限元分析法對(duì)其在極限工作載荷狀態(tài)下進(jìn)行分析,得到框架任意位置的應(yīng)力分布狀態(tài),為進(jìn)一步對(duì)框架優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局提供依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

該壓機(jī)機(jī)架為框架式,框架是由多片等尺寸的O形板疊加,通過(guò)拉桿連接組成的,O形板為整塊鋼板切去中間區(qū)域的整板,可以將其看作由上橫梁、立柱、下橫梁三部分組成,壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.拉桿組件; 2.O形板圖1 壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Press frame structure diagram

采用三維建模軟件Solidworks建立O形板的幾何模型,造型時(shí)對(duì)不影響整體強(qiáng)度剛度的一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后將建好的模型導(dǎo)入到ANSYS workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。全部采用六面體單元對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,并對(duì)圓角過(guò)渡區(qū)域進(jìn)行細(xì)化,網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)秀,單元類(lèi)型選取為實(shí)體Solid186號(hào)單元。

1.2 邊界條件加載

壓機(jī)在一個(gè)工作周期內(nèi)有加載、保壓和卸載三個(gè)工作狀態(tài),分析不考慮動(dòng)態(tài)載荷的影響,僅對(duì)壓機(jī)框架在保壓狀態(tài)下進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度分析。

壓機(jī)工作時(shí),多個(gè)加載油缸的壓力通過(guò)工作臺(tái)、被壓板材及模具等作用于上橫梁,下橫梁連接板承受著底座對(duì)油缸的支撐反力,框架受力可看作是對(duì)稱(chēng)負(fù)荷。油缸分布狀態(tài)可近似為均布,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,將框架上、下作用力區(qū)域的載荷近似等效為均布面載荷,忽略底座、模具、工作臺(tái)及被壓板材等的重量。由于框架區(qū)域受均勻載荷,分析框架的應(yīng)力情況與單個(gè)O形板的應(yīng)力情況近似,研究以一個(gè)O形板為分析對(duì)象,求解其在極限載荷下的應(yīng)力情況,以了解整個(gè)框架的應(yīng)力分布。

壓機(jī)輸出最大總載荷為300 MN,共有24個(gè)O形板,平均每個(gè)板受力為12.5 MN,為對(duì)稱(chēng)載荷,對(duì)其加載兩個(gè)大小相等、方向相反的力。根據(jù)壓機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況,框架通過(guò)基礎(chǔ)梁固定在基礎(chǔ)之上,將O形板凸邊下底面與基礎(chǔ)梁接觸部分定義為全約束,側(cè)面與基礎(chǔ)梁接觸部分約束、自由度等O形板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及有限元分析模型如圖2所示。O形板材料為Q345B,材料彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3,屈服強(qiáng)度為345 MPa。

1.全約束; 2.約束x、z兩個(gè)自由度圖2 O形板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及有限元分析模型Fig.2 O shaped plate structure diagram and finite element analytical model

1.3 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)壓機(jī)框架的有限元分析,得出其最大工況載荷下的等效應(yīng)力分布,如圖3所示。分析結(jié)果表明,機(jī)架的受力不均勻,存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,立柱及上橫梁上部、中間部分應(yīng)力值較大,對(duì)應(yīng)的集中應(yīng)力分別為191.1 MPa、169.9 MPa,機(jī)架材料為Q345B,其屈服強(qiáng)度為345 MPa,設(shè)計(jì)要求安全系數(shù)為2.2,其許用應(yīng)力為156.8 MPa,應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力值均已超過(guò)許用應(yīng)力。

圖3 等效應(yīng)力云圖(0～191 MPa)Fig.3 Equivalent stress nephogram (0～191 MPa)

將上圓角處的應(yīng)力云圖局部放大,見(jiàn)圖4,從圖4中可以看出,圓角的最大應(yīng)力點(diǎn)位于立柱端的過(guò)渡圓弧處,該模型在過(guò)渡圓角處存在應(yīng)力集中。

圖4 圓角區(qū)域等效應(yīng)力云圖(0～191 MPa)Fig.4 Equivalent stress nephogram in circular bead area (0～191 MPa)

在實(shí)際使用中,壓機(jī)整個(gè)框架長(zhǎng)時(shí)間承受幾萬(wàn)噸的載荷作用,框架上橫梁與立柱的過(guò)渡區(qū)域、下橫梁與立柱的過(guò)渡區(qū)域是其強(qiáng)度最弱區(qū)域,該區(qū)域承受上橫梁、下橫梁對(duì)立柱的拉伸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,是框架受力最大區(qū)域,也是應(yīng)力集中系數(shù)最大區(qū)域[7]。該應(yīng)力主要由框架立柱側(cè)向變形及上、下橫梁彎曲變形引起,為拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的合成,該應(yīng)力也為工作應(yīng)力,可通過(guò)優(yōu)化圓角結(jié)構(gòu)參數(shù),減小材料的集中應(yīng)力系數(shù),確保應(yīng)力在材料的許用范圍之內(nèi)。

2 過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在初始模型有限元分析的基礎(chǔ)上,對(duì)初始模型的圓角部分參數(shù)化并進(jìn)一步優(yōu)化。O形板過(guò)渡處的初始圓角結(jié)構(gòu)如圖5所示,圓角為1個(gè)過(guò)渡圓弧槽,圓弧槽的半徑為R0,圓弧的圓心到上橫梁底面的距離為H0,到立柱側(cè)面的距離為M0。

優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為

X=[R0,H0,M0],

其中:R0∈[100,200];H0∈[5,100];M0∈[5,100]。

圖5 圓角結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Circular bead structure diagram

目標(biāo)函數(shù)選擇圓角區(qū)域的最大等效應(yīng)力,優(yōu)化方法選擇ANSYS workbench中的直接優(yōu)化方法。通過(guò)優(yōu)化,得出該過(guò)渡圓角優(yōu)化后的最大應(yīng)力值為174.4 MPa。

在壓機(jī)框架初始剛度下,O形板的過(guò)渡圓角優(yōu)化后,與初始模型的分析結(jié)果相比,圓角區(qū)域的最高應(yīng)力值減小了16.67 MPa,但仍大于材料的許用應(yīng)力,說(shuō)明該過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)不適于實(shí)際工況要求,有必要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

通過(guò)改進(jìn)初始模型的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu),并對(duì)改進(jìn)后的圓角結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,找出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)變量值。常見(jiàn)的圓角結(jié)構(gòu)如圖6所示[3,8]。

根據(jù)以上優(yōu)化分析結(jié)果,將初始模型不合理的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)分別更換為圖6中的7種圓角結(jié)構(gòu)形式,保持初始模型剛度及施加的極限載荷大小不變,采用上述局部?jī)?yōu)化分析的方法,將各圓角結(jié)構(gòu)參數(shù)化,設(shè)置對(duì)應(yīng)的變量范圍,以圓角區(qū)域的最大應(yīng)力值作為目標(biāo)函數(shù),求出各結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值。對(duì)比分析結(jié)果,選出較理想的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)。

圖6 常見(jiàn)過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu)Fig.6 Common transition circular bead structure

各結(jié)構(gòu)的變量定義范圍、優(yōu)化后的最優(yōu)變量值及對(duì)應(yīng)的最優(yōu)目標(biāo)如表1所列。

表1 各結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果及對(duì)比

通過(guò)表1可以看出結(jié)構(gòu)e、f、g為較好的過(guò)渡圓角結(jié)構(gòu),其中結(jié)構(gòu)e橢圓圓弧是以上提及的所有常用圓角結(jié)構(gòu)中最好的過(guò)渡結(jié)構(gòu),最高應(yīng)力值降至材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過(guò)以上分析與優(yōu)化可以得出以下結(jié)論:

(1) 通過(guò)對(duì)初始模型應(yīng)力分析可得,初始圓角結(jié)構(gòu)并不合理,存在較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中,并且最高應(yīng)力為191.1 MPa,超過(guò)材料的許用應(yīng)力。

(2) 通過(guò)對(duì)初始模型圓角結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,得出初始模型的最優(yōu)結(jié)構(gòu),最高應(yīng)力得到一定程度的下降,但優(yōu)化之后圓角區(qū)域的最高應(yīng)力仍大于材料的許用應(yīng)力,說(shuō)明初始模型的圓角結(jié)構(gòu)不合理。

(3) 將初始模型的圓角結(jié)構(gòu)更換成不同的圓角結(jié)構(gòu)并進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化,結(jié)果表明1/4橢圓弧(結(jié)構(gòu)e)是最優(yōu)圓角結(jié)構(gòu)。該圓角結(jié)構(gòu)基本不存在集中應(yīng)力的情況,圓角區(qū)域的最大應(yīng)力為85.59 MPa,相比于初始結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力其下降了55%。

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300 MN Sheet Moulding Press Frame Finite Element Analysis and Structure Optimization

Chen Huijuan,Jiang Feng,Li Jiping

(LanzhouLsEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China)

Analyze the stress of 300 MN multi-cylinders sheet moulding press frame by finite element method and observe the situation of centralized stress;optimize the part of initial circular bead which easily makes stress centralized,as last,the optimized variable value of circular bead is concluded.Furthermore,with every kind of common transition corner structure,we give variable parameter to optimize centralized stress in part and find out the best transition corner structure,reaching the aim of improving the situation that stress is centralized.

Press frame;Hydraulic machine;Stress analysis;Circular bead optimization

Chen Huijuan,Jiang Feng,Li Jiping.300 MN Sheet Moulding Press Frame Finite Element Analysis and Structure Optimization[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):65-68.[陳惠娟,姜峰,李吉萍.300 MN薄板成型壓機(jī)框架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(6):65-68.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.013.

2015-06-04;

2015-07-21.

甘肅省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(143GKDA014).

陳惠娟(1985-),女,福建詔安人,碩士,工程師,研究方向?yàn)殄憠簷C(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì).E-mail:juanhuichen@163.com.

TG315.4;TH123+.4

A

1004-0366(2016)06-0065-04