唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

大型臥式擠壓機(jī)動梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

唐 越 門正興 郝 煒 袁品均 李 斌

(成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，四川610021)

本文應(yīng)用ABAQUS對大型臥式擠壓機(jī)動梁的應(yīng)力進(jìn)行分析，基于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，分析了應(yīng)力較大的原因，并且優(yōu)化了動梁結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化動梁結(jié)構(gòu)，顯著減小了動梁關(guān)鍵位置處的應(yīng)力值。

擠壓機(jī)；動梁；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

大型擠壓成套裝備是航空航天、交通、能源、武器裝備等領(lǐng)域的基礎(chǔ)制造裝備，是國家重大裝備設(shè)計(jì)制造綜合能力和技術(shù)水平的重要標(biāo)志，在國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有不可替代的作用[1]。動梁是大型擠壓機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在擠壓機(jī)的工作過程中，動梁同時(shí)承受來自于油缸和擠壓筒的作用力，分析動梁的應(yīng)力對提高動梁壽命和整機(jī)的工作穩(wěn)定性具有重要的意義。

如圖1為典型臥式擠壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，動梁位于油缸和擠料桿之間，分析動梁的應(yīng)力時(shí)，必須與兩邊的機(jī)械結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。本文應(yīng)用ABAQUS對動梁的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并與結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的動梁應(yīng)力進(jìn)行了對比。

圖1 臥式擠壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1 動梁應(yīng)力分析

本文分析的對象是擠壓機(jī)在正常工作行程中動梁的應(yīng)力，因此不必對整個壓機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，只需對動梁和與動梁接觸的機(jī)構(gòu)構(gòu)件—擠料桿及液壓缸活塞桿建立模型，并使它們相互接觸，如圖2所示。 動梁工作過程可以看作勻速的過程，因此動梁的應(yīng)力分析屬于靜力分析。采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算以縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

圖2 動梁模型

材料的彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3。在動梁的運(yùn)行過程中，動梁兩端分別與擠料桿和液壓缸活塞桿相接觸。設(shè)置接觸的原則為：設(shè)置剛性較好的結(jié)構(gòu)件接觸面為主面，剛性較差的結(jié)構(gòu)件接觸面為從面，網(wǎng)格較粗糙的接觸面為主面。面與面之間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.1，接觸狀態(tài)如圖3所示。

應(yīng)用1/2模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在中間的對稱平面上加載對稱約束。在壓機(jī)運(yùn)行過程中，對動梁進(jìn)行受力分析，壓機(jī)的主油缸受力為1664.5 t，兩邊的側(cè)油缸受力相同，均為78.54 t。邊界條件和約束設(shè)置完畢后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，正在相互接觸面劃分網(wǎng)格時(shí)，盡量使兩個相互接觸的面內(nèi)的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)相互對應(yīng)，這樣可以使運(yùn)算加快收斂。計(jì)算完成后，輸出Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力的變化圖。

圖3 接觸狀態(tài)

2 計(jì)算結(jié)果分析與動梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

2.1 動梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

此類結(jié)構(gòu)形式的動梁破壞多發(fā)生在與擠料桿和活塞桿相接觸的面上的圓角(位置1)和倒直角(位置2)上，觀察這兩個位置處的Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力，如圖4～6所示，位置1處的Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力分別為237.9 MPa和179.9 MPa，位置2處最大主應(yīng)力為174.1 MPa。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果對比

基于以上計(jì)算結(jié)果分析，圓角處和倒直角處均有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，初步確定為兩個接觸面的圓角值和倒直角值過小，并且受活塞桿推力一側(cè)的結(jié)構(gòu)形式不完善，針對以上現(xiàn)象，在不影響動梁正常工作的前提下優(yōu)化模型，圖7為動梁模型優(yōu)化前后對比圖。

圖4 位置1Mises應(yīng)力

圖5 位置1最大主應(yīng)力圖

圖6 位置2最大主應(yīng)力

(a)優(yōu)化前

(b)優(yōu)化后

圖8 優(yōu)化后位置1Mises應(yīng)力

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，按照之前的邊界條件和約束設(shè)置方法設(shè)置，計(jì)算并輸出相對應(yīng)位置的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后應(yīng)力圖如圖8～10所示，優(yōu)化前后位置1和位置2的Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力對比如表1所示。

圖9 優(yōu)化后位置1最大主應(yīng)力

圖10 優(yōu)化后位置2最大主應(yīng)力

優(yōu)化前應(yīng)力值優(yōu)化后應(yīng)力值位置1Mises應(yīng)力位置1最大主應(yīng)力位置2最大主應(yīng)力237.9179.9174.1196.6102.4120.9

通過對動梁模型的優(yōu)化，Mises等效應(yīng)力和最大主應(yīng)力發(fā)生的位置基本保持不變，均位于動梁前后面上的圓角和倒直角處，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，各應(yīng)力值顯著降低。

3 結(jié)論

通過對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的動梁的應(yīng)力分析可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對應(yīng)位置的應(yīng)力值顯著降低，證明該結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是可行的。本文中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以為同結(jié)構(gòu)形式的擠壓機(jī)動梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

[1] 熊乙錕. 自增強(qiáng)技術(shù)對組合式擠壓筒服役特性的影響研究[D]. 重慶大學(xué)，2013.

[2] 趙增耀. 有限元分析在工程機(jī)械鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[D]. 長安大學(xué)，2009.

[3] 徐燕申，張學(xué)玲. 基于有限元分析的機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 精密制造與自動化，2003(S1)：56-58.

[4] 王勇勤，林秉敬，嚴(yán)興春，等. 165MN自由鍛造油壓機(jī)組合梁強(qiáng)度分析研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(5):178-180.

[5] 龔開坤. 微納三維定位工作臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] 劉放，程文明，趙南. 基于自由度耦合的攜行式外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2012(10):59-62.

編輯 陳秀娟

Research on Structure Optimization of Heavy Duty Horizontal Extruder Moving Beam

Tang Yue, Men Zhengxing, Hao Wei, Yuan Pinjun, Li Bin

The stress of heavy duty horizontal extruder moving beam has been analyzed by applying ABAQUS, and based on the calculated stress results, cause of larger stress has been analyzed and the moving beam structure has been optimized. By optimizing the moving beam structure, stress value of the moving beam key position has been reduced evidently.

extruder; moving beam; structure optimization

2016—11—28

唐越(1989—)，男，助教，碩士，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析、流體力學(xué)模擬與仿真分析、機(jī)械幾何量檢測方面的研究和應(yīng)用。

TG375+.23

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