秦超 邱建成

（蘇州同大機械有限公司）

1. 前 言

擠出吹塑機的合模機模板通常是經(jīng)壓鑄及焊接方法制造而成的，一般只是需要進行少量切削加工即可。在擠出吹塑機的合模機研制中的力學設計中目前主要以經(jīng)驗設計為主，相比發(fā)達國家生產(chǎn)設計研發(fā)周期較長，穩(wěn)定性上存在一定的差異，因此，采用先進的設計方法，如計算機工程分析方法可縮短合模機的設計研發(fā)周期。我們采用有限元分析技術(shù)對 TDB-1600F型合模機大型模板進行了一系列的計算機工程分析研究，研究的主要內(nèi)容包括：

1）建立模板模型，為了提高仿真效果，將合模機模板簡化，利用專業(yè)有限元網(wǎng)格劃分軟件建立網(wǎng)格模型，導入高級仿真模塊中進行有限元力學分析；

2）按照計算公式中條件確定分析邊界，力分布情況，將求得的體載荷加載到結(jié)構(gòu)中動力學分析；

3）依據(jù)計算結(jié)果，對模板進行拓補優(yōu)化，依據(jù)拓補后優(yōu)化的密度云圖，對密度集中度過高的位置進行重新設計以及結(jié)構(gòu)改造，再重新進行動力學分析驗證變形及應力情況，檢驗符合至最合理情況。

2. 計算機工程分析過程

具體操作如下：

1）根據(jù)設計圖紙，利用三維造型軟件Unigraphics NX建立合模機模板的三維實體模型，并設置好相關的參數(shù)，模型如圖1所示：

圖1 超大型合模機模板實體圖

2）將三維導成X_T文件備份，保存文件，進入軟件高級仿真模塊中進行動力學仿真分析在仿真導航器中選擇新建FEM和仿真，如圖2所示：

圖2 超大型模板動力學仿真分析

3）賦予零部件相關材料屬性，在軟件窗口欄中選擇文件-ansys_fem1.fem進入，材料屬性選擇Steel對三維實體進行指派材料，如圖3：

圖3 超大型模板材料性能添加

4）對模板進行有限元處理，進入3D四面體網(wǎng)格界面選中實體，在不影響計算結(jié)果的情況下，刪除一些實體小細節(jié)特征，比如圓角、倒角、小孔等等，有利于網(wǎng)格的劃分。

有限元網(wǎng)格的質(zhì)量好壞，很大程度上影響分析計算的結(jié)果，當網(wǎng)格具有理想的形狀時，計算結(jié)果最好。然而實際劃分的網(wǎng)格往往不可能都達到理想的形狀，會有網(wǎng)格變形，當網(wǎng)格變形超出一定限制時，計算精度會隨變形的增加而顯著下降。在劃分網(wǎng)格過程中，網(wǎng)格變形程度要在一定的范圍內(nèi)。對于比較簡單的結(jié)構(gòu)，使用自動或半自動功能劃分網(wǎng)格即可，生成的網(wǎng)格可以不用進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，直接用于模擬分析；而對于比較負載的結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格時，一般要先對幾何模型進行處理，由于結(jié)構(gòu)復雜，生成的網(wǎng)格可能存在問題，因此必須對生成的網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，對網(wǎng)格質(zhì)量不合格的地方重新劃分網(wǎng)格，避免影響計算精度。單元的網(wǎng)格質(zhì)量直接關系到有限元模型分析的精度和收斂性，因此網(wǎng)格質(zhì)量檢測室網(wǎng)格劃分過程中必不可少的一步。

對實體模型劃分網(wǎng)格后的效果圖：圖4

圖4 超大型模板實體圖有限元網(wǎng)格劃分

5）建立好網(wǎng)格后，在軟件窗口欄中選擇文件-ansys_sim1.sim進入載荷類型界面，在載荷類型中選擇應用力載荷，對模板合模驅(qū)動力進行理論計算：

鎖模液壓油缸壓力p=16MPa

油缸推桿面積 S=（2002/4-1002/4）π=23562mm2

模板總鎖模力 F=S×p×6=2261952N≈226萬牛

給定安全系數(shù)，將F設成300萬牛進行強度分析，保留模板安全值。

6）將約束應用于有限元對象，高級仿真中約束類型有很多，如圖5所示，此處定義為固定約束能解決約束問題，對有限元鎖模處于底板處進行約束選定。

圖5 有限元分析約束條件添加

7）對有限元模型進行安全檢查，檢查效果如圖6所以，無問題后方可進行求解，求解界面如圖所示。

圖6 有限元模型安全檢查

圖7 方案確定求解

8）提交求解后，在后處理導航器中雙擊文件名文件，在Solution中得到計算結(jié)果的應力云圖及變形云圖。圖8、圖9

圖8 超大型模板動力學分析位移變形云圖

圖9 超大型模板動力學分析強度應力云圖

通過位移變形圖中觀察可以得出，模板節(jié)點最大變形量和最小變形量，以及出現(xiàn)在變形量極值最大處分別所處的位置。同理，在強度應力云圖中，可以觀察出最大應力值最小應力值，以及各自分布位置區(qū)域。

對超大型吹塑機的合模機模板進行拓補優(yōu)化，對受力部位及支撐部位分別進行有增有減的鋼板厚度試驗以及結(jié)構(gòu)改造，來通過修改有限元建模模型，提交重新計算，分析結(jié)果是否符合要求查找出問題得到最佳設計效果。

根據(jù)尺寸要求及裝配要求，將模板分別進行背面筋板厚度增減模型計算，背部筋板加長剪薄正面模板厚度后模型計算，背部加強筋條改造成米字布置或橫向布置不同方式模型計算，通過性能提升對比與重量利用率對比，逢10mm為一個單位進行一組數(shù)據(jù)分析，分析表格如表1所示：

表1 超大型模板動力學分析表

3. 結(jié) 論

通過計算機有限元工程分析，超大型合模機模板抗應力變形性能主要取決為模板背板加強筋的長短即受擠壓力方向筋條尺寸，在減薄其它尺寸的同時，通過云圖觀察得出既能保證力學性能好，又可減輕整體模板重量，使得該設計方案成為最優(yōu)化選擇。

CAE技術(shù)在很多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上均可應用，結(jié)果表明能通過對模型進行仿真計算驗證方案，設計修改中進行驗證，也可用于零部件強度及疲勞壽命分析，達到在產(chǎn)品設計初期，即對產(chǎn)品設計提供理論依據(jù)，從而指導產(chǎn)品設計盡可能達到最優(yōu)化，使產(chǎn)品得到保證，并可縮短研發(fā)設計周期。