郝建軍， 何青松， 李俊， 杜宗順， 廖剛

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

軸類零件壓力校直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

郝建軍， 何青松， 李俊， 杜宗順， 廖剛

(重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054)

以某型號軸類零件壓力校直機(jī)機(jī)體為研究對象，用SolidWorks軟件建立軸類零件壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體的三維結(jié)構(gòu)模型，并將校直機(jī)機(jī)體的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件。應(yīng)用該有限元分析軟件對機(jī)體在極限工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)壓力校直機(jī)機(jī)體的靜力學(xué)分析結(jié)果可知，機(jī)體的剛度滿足要求，但是強(qiáng)度已經(jīng)超出了安全應(yīng)用，需要對機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的壓力校直機(jī)機(jī)體剛度和強(qiáng)度已經(jīng)滿足要求，但是結(jié)構(gòu)中存在質(zhì)量冗余部分，為了滿足使校直機(jī)輕量化的要求，需要對機(jī)體的形狀進(jìn)行合理的改進(jìn)。優(yōu)化和改進(jìn)前后分析結(jié)果對比說明：經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后機(jī)體的質(zhì)量減少22.3%，機(jī)體的強(qiáng)度和剛度明顯加強(qiáng)。

校直機(jī)機(jī)體；靜力學(xué)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；改進(jìn)

0 引 言

軸類零件是機(jī)械類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用的重要零部件，由于熱處理及其它制造工藝導(dǎo)致零件軸心線發(fā)生彎曲變形。壓力校直法是目前廣泛采用的一種校直軸類零件的方法[1]。其原理是將待校的軸類零件支承在工作臺的兩個(gè)活動支點(diǎn)之間，用壓頭對軸類零件的彎曲位置處進(jìn)行反向壓彎[2]。當(dāng)壓頭撤回后軸類零件的壓彎量與彈復(fù)量相等時(shí)，該軸類零件就得到了校直[3]。

由于壓力校直機(jī)在校直軸類零件的過程中，機(jī)體承受著電動機(jī)驅(qū)動壓頭而產(chǎn)生的校直力的作用。如果機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，機(jī)體會產(chǎn)生變形和疲勞斷裂，甚至造成安全生產(chǎn)事故[4]。因而在壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體制造前，需要對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于需要控制成本和易于搬運(yùn)，故還需要對校直機(jī)機(jī)體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)體有限元分析模型的建立

由于在校直軸類零件的過程中校直機(jī)機(jī)體為重要承力機(jī)構(gòu)，因此需要對壓力校直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，判定機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足生產(chǎn)要求[5]。因?yàn)閴毫πＶ睓C(jī)主機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法無法快速而準(zhǔn)確地分析出主機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。采用有限元分析方法能夠快速、準(zhǔn)確地對機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校對，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。使壓力矯直機(jī)主機(jī)機(jī)體在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的強(qiáng)度、剛度的全程監(jiān)控，從而縮短生產(chǎn)周期，降低開發(fā)成本[6]。

1.1 壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體的三維模型建立

采用SolidWorks三維模型設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)軸類零件壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體的三維模型。然后直接將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，實(shí)現(xiàn)了由CAD到CAE間的雙向參數(shù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了壓力校直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真的同步協(xié)同[7]。軸類零件壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體有限元分析準(zhǔn)備

為了使用有限元軟件快速、準(zhǔn)確地對壓力校直機(jī)機(jī)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，需要對機(jī)體的結(jié)構(gòu)做出如下假設(shè)：壓力校直機(jī)機(jī)體是焊接結(jié)構(gòu)，并且假定壓力校直機(jī)機(jī)體的焊接質(zhì)量可靠；機(jī)體材料是各向同性的，且整體密度分布均勻。

圖1 壓力校直機(jī)主機(jī)機(jī)體三維模型

1.2.1 機(jī)體的網(wǎng)格劃分

模型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分是有限元分析前期處理中的主要工作，ANSYS Workbench的網(wǎng)格劃分處理功能可以對復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分處理[8]，由于壓力校直機(jī)機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，于是采用Workbench自動劃分網(wǎng)格功能，在Workbench中自動網(wǎng)格劃分一般不需要選取單元類，然而網(wǎng)格劃的太密則影響計(jì)算進(jìn)度，而過于稀疏則仿真結(jié)果不太準(zhǔn)確。于是使用相關(guān)度中心Relevance Center控制網(wǎng)格疏密程度。設(shè)置相關(guān)中心度為100，Element Size為20 mm其節(jié)點(diǎn)數(shù)為97 039，單元個(gè)數(shù)為53 357,經(jīng)檢查網(wǎng)格劃分質(zhì)量經(jīng)檢查較好。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

1.2.2 機(jī)體的約束和載荷處理

主機(jī)機(jī)體底板與地腳螺栓固定，因此可以看做主機(jī)底板全部約束。壓力校直機(jī)工作的極限載荷為100 kN。在電動機(jī)的驅(qū)動下壓頭下壓，主機(jī)機(jī)體承力板上兩個(gè)板受力，其反作用力由聯(lián)接主機(jī)機(jī)體與法蘭的螺栓孔承受，如圖3所示。

圖2 機(jī)體網(wǎng)格劃分模型

2 機(jī)體的強(qiáng)度和剛度分析

主機(jī)機(jī)體強(qiáng)度如圖4所示，應(yīng)力主要集中在聯(lián)接主機(jī)機(jī)體與法蘭的螺栓孔處，最大應(yīng)力為254.06 MPa。由于主機(jī)機(jī)體所使用的材料為45鋼，其屈服極限為355 MPa。取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力為236 MPa。機(jī)體已不滿足強(qiáng)度要求，因此需要對機(jī)體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 壓力校直機(jī)機(jī)的載荷和約束

圖4 壓力校直機(jī)機(jī)體強(qiáng)度分布圖

圖5 壓力校直機(jī)機(jī)體剛度分布圖

主機(jī)機(jī)體剛度如圖5所示，最大變形出現(xiàn)在6個(gè)螺栓孔所組成的圓周范圍內(nèi)，其最大變形為0.664 46 mm，滿足設(shè)計(jì)要求[10]。

3 機(jī)體結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原理

構(gòu)建需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型，可以通過不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在滿足所需要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的條件進(jìn)行下迭代計(jì)算，求出優(yōu)化所需要的目標(biāo)函數(shù)極值，從而得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[11]。因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：F(X)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)；X為需要設(shè)計(jì)的變量；gi(X)為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變量。

設(shè)計(jì)變量就是自變量，通過改變自變量的值來獲取結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。由于每一個(gè)自變量有自己的取值范圍，因此必須規(guī)定設(shè)計(jì)變量xn的最大值以及最小值。狀態(tài)變量是對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行約束的數(shù)值，因此它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，狀態(tài)變量的取值范圍可能會有上下限，但是也可能只存在單方面范圍的限制，即只存在上限值或者只存在下限值。目標(biāo)函數(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求盡量小的數(shù)值，并且它也必須是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)

圖6 螺紋孔尺寸和聯(lián)接板厚度對機(jī)體最大變形和最大應(yīng)力的敏感度

圖7 螺紋孔大小、聯(lián)接板厚度與機(jī)體最大變形關(guān)系

圖8 螺紋孔大小、聯(lián)接板厚度與機(jī)體最大應(yīng)力關(guān)系

由壓力校直機(jī)機(jī)體的有限元靜力學(xué)分析可知，螺紋孔和螺紋孔聯(lián)接板處機(jī)體承受著最大的應(yīng)力和應(yīng)變。其他處的應(yīng)力應(yīng)變都在安全范圍內(nèi)，因此需要對此處進(jìn)行尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。將螺紋孔尺寸和連接板厚度作為設(shè)計(jì)變量，機(jī)體的最大變形和最大應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)。

首先通過運(yùn)用ANSYS Workbench軟件模擬壓頭施加最大壓力的工況下，分析螺紋孔尺寸和連接板厚度對機(jī)體最大變形和最大應(yīng)力的影響程度[12]，如圖6所示。

連接處螺紋孔的大小和連接處板的厚度與機(jī)體的最大變形以及最大應(yīng)力的關(guān)系如圖7、圖8所示。

表1 設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)表

通過分析可知，對機(jī)體最大變形和最大應(yīng)力影響較大的是聯(lián)接板的厚度。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)尋找最優(yōu)值，找到合適的螺紋孔大小以及聯(lián)接板的厚度，從而減小機(jī)體承受的最大變形和最大應(yīng)力[13]。

經(jīng)ANSYS Workbench分析可以得出如表1所示的設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)表。

綜合所有校直機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素分析，選擇螺紋孔的大小12 mm和聯(lián)接板的厚度35 mm為最佳值，其它結(jié)構(gòu)數(shù)值不變。

4 機(jī)體結(jié)構(gòu)形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

由壓力校直機(jī)機(jī)體的靜力學(xué)分析可知，機(jī)體結(jié)構(gòu)中大部分有較高的安全系數(shù)，說明了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為保守，需要對機(jī)體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。確保機(jī)身的總體結(jié)構(gòu)尺寸不變，然后使其整體體積盡量變小，查找對機(jī)身結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度不會產(chǎn)生負(fù)面影響的可以去除的部分結(jié)構(gòu)。最終目的是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，從而減輕壓力校直機(jī)機(jī)體的重量[14]。主要采用ANSYS Workbench中Shape Finder模塊對校直機(jī)機(jī)身板的材料分布進(jìn)行形狀優(yōu)化分析。

4.2 機(jī)體的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

圖9 機(jī)體材料去除20%

圖10 機(jī)體材料去除30%

采用極限工況條件下選擇已經(jīng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的校直機(jī)機(jī)體分析，材料選擇、網(wǎng)格劃分、邊界條件、約束情況和靜力學(xué)分析一致。

材料的添加與去除需要考慮較多的因素，材料的去除方法可以采用對壓力校直機(jī)機(jī)身進(jìn)行Shape Optimization分析，對形狀優(yōu)化目標(biāo)Target Reduction分別設(shè)置為20%、30%，如圖9和圖10。

所示紅色部分表示可去除面積，棕色代表邊緣材質(zhì)，灰色表示可保留的部分，以此找出共同去除掉的部分[15]。

圖11 優(yōu)化后校直機(jī)機(jī)體

圖12 優(yōu)化后校直機(jī)機(jī)體強(qiáng)度

圖13 優(yōu)化后校直機(jī)機(jī)體剛度

表2 不同優(yōu)化結(jié)果后分析對比

根據(jù)分析，金屬板材重新分布后的壓力校直機(jī)機(jī)體如圖13所示。

優(yōu)化后校直機(jī)機(jī)體的強(qiáng)度和剛度如圖14和圖15所示。

優(yōu)化結(jié)果對比分析如表2所示。

根據(jù)表2所示內(nèi)容分析可知：尺寸優(yōu)化后，機(jī)體能達(dá)到校直所需要的強(qiáng)度和剛度，但是由于增加了聯(lián)接板的厚度，機(jī)體重量增加；形狀優(yōu)化后，校直機(jī)機(jī)體的重量有明顯減少，更為重要的是校直機(jī)機(jī)體強(qiáng)度和剛度也有所加強(qiáng)，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)論

通過ANSYS Workbench有限元軟件分析出影響校直機(jī)機(jī)體最大變形和最大應(yīng)力的因素是螺紋孔大小和聯(lián)接板的厚度。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)找出螺紋孔大小和機(jī)體厚度的最優(yōu)值，機(jī)體其它結(jié)構(gòu)對其強(qiáng)度和剛度影響較小，屬于可去除部分。通過形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)找出可去除部分，從而設(shè)計(jì)出滿足要求的校直機(jī)機(jī)體。

由于校直機(jī)工作的壓頭用電動機(jī)驅(qū)動，并且壓頭的連續(xù)校直對機(jī)體也產(chǎn)生了振動，因此還需對機(jī)體做動態(tài)特性分析，機(jī)體結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

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Optimization and Analysis on Body Structure of Shaft Parts Straightening Machine

HAO Jianjun,HE Qingsong,LI Jun,DU Zongshun,LIAO Gang
(School ofMechanical Engineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

This paper uses the SolidWorks software to build the three-dimensional model of the host body of the shaft straightening machine,and introduces the 3D model of the machine body into the ANSYS Workbench software.The finite element analysis software is used to analyze the body under the limit condition.The static analysis of the body of the pressure straightening machine shows that the stiffness of the body can meet the requirements,but the strength is beyond the safety application,so it is necessary to optimize the structure of the body.Stiffness and strength of redesigned pressure straightening machine body can meet the requirements,but its structure has weight redundancy.In order to achieve the standardization of straightening machine,the body shape needs to be improved.The results show that the quality of the body is reduced by 22.3%after optimization,and the strength and rigidity of the body are obviously strengthened.

straightening machine body;static mechanics;optimal design;improvement

TG 501

A

1002－2333（2018）01－0080－04

重慶市教育委員會資助項(xiàng)目(KJZH17127)

（編輯黃 荻）

郝建軍(1962—),男，碩士生導(dǎo)師，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程；

何青松(1991—),男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。

2017-04-10