周琦， 張嘉偉

（江陰職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，江蘇 江陰214400）

0 引 言

超薄鋁型材自動切割機是一種針對厚度為0.5～0.8 mm的難切割鋁型材設(shè)計的新型切割設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由機架、工作進給單元和切割單元等組成。其中，移動工作臺是工作進給單元的進給對象，切割單元的工作臺是聯(lián)系切割機兩個核心單元的關(guān)鍵零部件，在切割機中具有重要的作用，其可靠性和穩(wěn)定性對切割機的安全、快速且穩(wěn)定運行非常重要。隨著計算機技術(shù)及其設(shè)備的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的物理樣機試驗驗證手段過于單一，且耗費時間長、成本較高。因此，在機電設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計階段采用虛擬樣機技術(shù)，通過模擬仿真的手段來驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、振動和噪聲及產(chǎn)品性能，及時發(fā)現(xiàn)問題并改進優(yōu)化，是一種切實可行的現(xiàn)代機械設(shè)計方法。

本文通過SolidWorks軟件建立超薄鋁型材自動切割機的移動工作臺模型，利用其Simulation模塊對移動工作臺進行靜態(tài)和疲勞分析，通過采用虛擬樣機技術(shù)分析移動工作臺的結(jié)構(gòu)強度和疲勞壽命，以保證設(shè)備能夠滿足設(shè)計使用和運行需求。

1 建立移動工作臺三維模型

按照機械設(shè)計的結(jié)構(gòu)布局與尺寸，在SolidWorks軟件中建立超薄鋁型材自動切割機移動工作臺的三維實體模型。為便于計算分析，建模時對移動工作臺進行了合理的簡化，省略了對其結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果影響較小的部分結(jié)構(gòu)特征（如螺釘孔等），簡化后的鋁型材自動切割機移動工作臺三維模型如圖1所示。

圖1 移動工作臺三維模型

2 移動工作臺靜態(tài)分析

有限元分析中的靜力學分析主要研究機械零部件正常工作情況下的強度，保證所設(shè)計的零部件能夠滿足設(shè)計要求。傳統(tǒng)的機械靜力學分析主要是在理論計算的基礎(chǔ)上，對物理樣機進行各項靜強度試驗，分析周期長且成本較高。采用SolidWorks軟件的Simulation模塊對超薄鋁型材切割機的移動工作臺進行靜態(tài)強度分析，驗證移動工作臺的靜強度和可靠性，可為超薄鋁型材切割機的設(shè)計提供一種高效、實用、廉價的方法。

在SolidWorks軟件中進行移動工作臺的靜力學分析：首先，進入軟件的辦公室產(chǎn)品界面選擇“Simulation”菜單，在算例顧問的下拉菜單中選擇“新建”，類型選擇為靜態(tài)，建立移動工作臺的靜態(tài)分析算例；接著對移動工作臺的有限元計算參數(shù)進行設(shè)置。具體過程如下：

1）定義材料屬性。選擇移動工作臺的材料為45鋼，設(shè)置材料屬性：密度ρ=7850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，屈服強度為σs=503 MPa，抗剪強度為σb=750 MPa。

2）設(shè)置約束條件。根據(jù)切割機的工作過程為移動工作臺的添加約束，切割機在工作時移動工作臺沿導軌架作往復直線運動，靜止時底部支架通過滾輪與導軌連接，因此設(shè)定底部支架的滾輪位置為約束處。

3）施加載荷。根據(jù)切割機的設(shè)計計算數(shù)據(jù)，給移動工作臺施加載荷。切割單元的主電動機轉(zhuǎn)矩為148.56 N·m，切割單元對移動工作臺的作用力大小為1450 N，以及移動工作臺上液壓油箱所產(chǎn)生的自身重力（g取9.8 m/s2）。

4）網(wǎng)格劃分。移動工作臺的網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格，允許網(wǎng)格自由過渡，劃分后模型的單元數(shù)為108 545個，節(jié)數(shù)為55 861個。移動工作臺的網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 移動工作臺網(wǎng)格劃分

圖3 轉(zhuǎn)移動工作臺應(yīng)力圖

圖4 轉(zhuǎn)移動工作臺位移圖

圖5 轉(zhuǎn)移動工作臺應(yīng)變圖

完成以上4個步驟的工作以后，實現(xiàn)了對移動工作臺的有限元參數(shù)設(shè)置，接下來是對其進行靜力學的有限元分析計算，得到移動工作臺的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖，具體計算結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3顯示的結(jié)果分析可知，移動工作臺在靜態(tài)載荷作用下，其最大應(yīng)力為220.6 MPa，遠小于移動工作臺的屈服極限580 MPa，設(shè)計的移動工作臺強度完全能夠滿足工作要求。由圖4可知，移動工作臺的最大位移量為4.969 mm，主要發(fā)生在移動工作臺的邊緣夾具安裝位置，該處的結(jié)構(gòu)需要進行強化，可在其底部焊接加強筋以增加其強度。由圖5可知，移動工作臺的最大應(yīng)變發(fā)生在連接支架，通過滾輪的彈簧緩沖不會對設(shè)備的性能造成影響。

3 移動工作臺疲勞分析

疲勞破壞是指機械零部件在交變應(yīng)力或應(yīng)變反復作用下，材料性能發(fā)生改變甚至出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。機械零部件的疲勞破壞過程一般可分為以下三個階段：

1）微觀裂紋形成階段。零部件在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，應(yīng)力最大位置逐漸發(fā)展成為應(yīng)力集中點，從而在該點處首先形成細微的裂紋。

2）宏觀裂紋形成階段。微觀裂紋形成后，在交變載荷作用下裂紋沿最大剪應(yīng)力方向擴展，從而形成明顯的宏觀裂紋。

3）損壞斷裂階段。當裂紋擴展到一定程度時，零部件力學性能就會發(fā)生很大變化，導致在某一次加載時零部件發(fā)生突然斷裂。

采用SolidWorks軟件的Simulation模塊進行疲勞分析的過程為：在對零部件靜態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)為參數(shù)，設(shè)置材料的S-N曲線，根據(jù)Miner線性損傷累積規(guī)則進行計算，得出零部件的疲勞壽命。

對超薄鋁合金切割機移動工作臺的疲勞分析的過程為：首先在Simulation模塊中“新建”算例，類型中選擇“疲勞”，建立移動工作臺的疲勞分析算例；右鍵選擇“添加事件”，在循環(huán)周期對話框中輸入1000，為疲勞分析算例關(guān)聯(lián)到前面完成的靜態(tài)分析算例，比例為1，負載類型為完全反轉(zhuǎn)（LR=-1），恒定振幅事件交互作用設(shè)置為隨意交互作用，計算交變應(yīng)力的手段為對等應(yīng)力（von Mises），平均應(yīng)力糾正選擇Soderberg。同時，根據(jù)45鋼的抗拉強度計算得到移動工作臺的理論S-N曲線，根據(jù)材料實際情況修正后的S-N曲線如圖6所示。在完成以上操作以后，點擊“運行”進行疲勞分析計算，結(jié)果得到圖7、圖8所示的疲勞數(shù)據(jù)。

圖6 移動工作臺材料S-N曲線圖

圖7 疲勞分析損壞百分比圖

從圖7中可以看出，移動工作臺在經(jīng)過1000 次的交變載荷作用后，除了底部的連接支架外，其余部分的損壞百分比均小于1，如圖中右邊中部的深色區(qū)域為零件的薄弱區(qū)域，即位于移動工作臺底部的連接支架，說明此處受到的靜力較集中，容易發(fā)生疲勞裂紋和破壞，需要加大支架的厚度尺寸，以保證足夠的疲勞壽命。

由圖8可知，移動工作臺絕大多數(shù)部位的疲勞次數(shù)大于1.167×108，高于無限疲勞次數(shù)，故符合移動工作臺的設(shè)計壽命要求，壽命較低的區(qū)域集中在移動工作臺底部的連接支架處，且區(qū)域相對較小，因此，根據(jù)仿真分析結(jié)果，為減小疲勞裂紋發(fā)生的概率，有必要重新對此處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提高設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié) 語

本文利用SolidWorks軟件的Simulation模塊，對超薄鋁型材切割機關(guān)鍵零件移動工作臺進行了結(jié)構(gòu)靜力學分析，得出其應(yīng)力位移和應(yīng)變情況，通過疲勞強度分析，得到其損壞百分比和生命總數(shù)圖，并最終得出結(jié)論：該超薄鋁合金切割機的移動工作臺底部的連接支架強度和壽命較差，需要重新對此處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

本次研究采用的移動工作臺有限元分析方法，同樣適用于設(shè)備中其他零部件的設(shè)計，也為后續(xù)整機虛擬樣機模型設(shè)計和有限元分析提供了一定的理論基礎(chǔ)。