魏 晗，吳釗栩，薛 義

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引言

熱壓機(jī)是人造板生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。熱壓機(jī)的生產(chǎn)能力決定了人造板生產(chǎn)線的產(chǎn)量,而熱壓機(jī)的技術(shù)水平也在很大程度上決定了人造板產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。 發(fā)展人造板工業(yè)、提升人造板設(shè)備的整體性能對(duì)永續(xù)利用和保護(hù)林業(yè)資源意義重大[2]。在刨花板生產(chǎn)過(guò)程中，熱壓成型是一道關(guān)鍵工序，熱壓機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是熱壓機(jī)工作效率的重要保證。熱壓機(jī)框架板是壓機(jī)承受壓力、安裝其他部件的基礎(chǔ)。通常，設(shè)計(jì)者根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)，在大致尺寸范圍內(nèi)預(yù)先選擇一組尺寸數(shù)據(jù)，然后對(duì)框架進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的校核，檢驗(yàn)其是否滿足工作要求。這種設(shè)計(jì)方法，一方面大大增加了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，另一方面選定的結(jié)果通常并不是最優(yōu)，往往會(huì)造成原材料的浪費(fèi)[3]。

熱壓機(jī)適用于刨花板三聚氰氨浸漬貼面加工，中密度纖維板及高密度強(qiáng)化地板三氧化鋁耐磨紙的貼面加工。快速貼面熱壓機(jī)每天在一定壓力下壓貼上千次，工作強(qiáng)度很高，對(duì)熱壓機(jī)框架的破壞性較大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響熱壓機(jī)的工作性能，利用有限元法對(duì)熱壓機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高熱壓機(jī)工作壽命、降低成本的必要手段[4]。此方法比通常的材料力學(xué)計(jì)算更加先進(jìn)和方便，通過(guò)計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力和位移云圖能直觀地了解結(jié)構(gòu)的不足，從而能更好地對(duì)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)措施。

圖1 原始結(jié)構(gòu)

熱壓機(jī)在反復(fù)加載變化載荷的過(guò)程中，在應(yīng)力集中部位會(huì)形成損傷累積，經(jīng)過(guò)足夠次數(shù)的循環(huán)應(yīng)力作用后，就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋直至擴(kuò)展而斷裂，所以保持一定數(shù)值的疲勞強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的基本保證[5]。因此，有必要對(duì)熱壓機(jī)框架進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

本文研究對(duì)象是無(wú)錫某熱壓機(jī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的框板式結(jié)構(gòu)的熱壓機(jī)，型號(hào)HSYJ2400，結(jié)構(gòu)尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=L×W×H=4000 mm×1400 mm×3152 mm，板厚為70 mm，幾何模型如圖1所示。根據(jù)廠家提供的信息可知，該型號(hào)熱壓機(jī)在使用十個(gè)月左右就出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象，且裂紋的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)不方便。廠家提出的要求是結(jié)構(gòu)合理、用料省、兩端受力易開裂處出現(xiàn)的問(wèn)題易于現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)，省去返廠修復(fù)的來(lái)回運(yùn)費(fèi)。

1 熱壓機(jī)有限元分析

1.1 熱壓機(jī)有限元模型的創(chuàng)建

圖2 原始結(jié)構(gòu)有限元模型(四分之一)

該型號(hào)的熱壓機(jī)共有8個(gè)液壓缸，且液壓缸的安裝形式為上置式，每個(gè)液壓缸的直徑為560 mm。整個(gè)機(jī)架的上下部分是由4塊鋼板通過(guò)中間筋板連接，左右兩端加側(cè)面板，在側(cè)面板上開槽插入加強(qiáng)板，側(cè)面板之間用槽鋼連接，鋼板與筋板之間的連接用焊接實(shí)現(xiàn)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的上部分用于安裝液壓缸和熱壓頂墊等部件，下部分作為支撐來(lái)實(shí)現(xiàn)貼面操作。由于結(jié)構(gòu)是框板式的，整體結(jié)構(gòu)前后左右對(duì)稱。因此選擇ANSYS軟件單元庫(kù)中的實(shí)體單元Solid185建立熱壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，根據(jù)實(shí)際工況，在創(chuàng)建有限元模型時(shí)做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1)建模過(guò)程中，焊接件之間的連接通過(guò)體元的相加實(shí)現(xiàn)；

2)由于整體結(jié)構(gòu)和載荷是四分之一對(duì)稱的，為提高分析效率，只需要?jiǎng)?chuàng)建四分之一的有限元模型，如圖2所示；

3)實(shí)際結(jié)構(gòu)中側(cè)面板之間的筋板是槽鋼，本模型中是利用矩形鋼板實(shí)現(xiàn)。

1.2 假設(shè)條件、材料屬性、邊界條件及求解

1.2.1 假設(shè)條件

在計(jì)算過(guò)程中不考慮焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力或損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；不考慮熱壓機(jī)工作中溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；材料的材質(zhì)、應(yīng)力集中、尺寸、表面情況均認(rèn)為是理想狀態(tài)。

1.2.2 材料屬性

結(jié)構(gòu)的板材材料是碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235鋼)或低合金高強(qiáng)度鋼(Q345鋼)，兩種鋼材在板厚為50～100 mm時(shí)材料的屈服強(qiáng)度極限分別為σs=205 MPa和σs=275 MPa，兩種鋼材的彈性模量和泊松比分別都為E=200 GPa和μ=0.3。

1.2.3 載荷與約束

熱壓機(jī)的工作載荷是2400 t，故熱壓機(jī)中部的上下熱壓墊因液壓缸工作而承受24000 kN的載荷，在計(jì)算過(guò)程中將此載荷轉(zhuǎn)換為均布載荷，由公式(1)表示：

(1)

其中，F(xiàn)為工作載荷，A為承載面積。

求得上板載荷大小為17.13 MPa，下板載荷為6.59 MPa。熱壓機(jī)在實(shí)際工作時(shí)是垂直放置，與地面沒(méi)有任何固定措施(如地腳螺釘)，故在施加位移約束時(shí)選擇兩側(cè)端部的底部在Z方向約束，而X和Y方向上自由(假設(shè)熱壓機(jī)的高度方向?yàn)閆方向)。由于模型結(jié)構(gòu)為整體的四分之一，故在對(duì)稱面上添加對(duì)稱約束。

1.2.4 求解類型

熱壓機(jī)每次貼面工作過(guò)程是加載時(shí)間約2 s，保持壓力22 s，然后卸載，卸載時(shí)間約2 s，即載荷時(shí)間歷程為：0-2 s-22 s-24 s，0-24000 kN-24000 kN-0，如圖3所示。此載荷頻率相對(duì)于機(jī)架的固有頻率來(lái)講，偏離很大(根據(jù)計(jì)算得到的機(jī)架的固有頻率最小為1879.1 Hz，限于篇幅，此計(jì)算過(guò)程在本文中沒(méi)有給出詳細(xì)描述)，故此載荷歷程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)機(jī)架的響應(yīng)很小，因此選擇靜態(tài)分析，而未選擇瞬態(tài)分析。

圖3 時(shí)間歷程圖

1.3 原始結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述條件進(jìn)行靜力分析后得到變形圖和應(yīng)力云圖，如圖4和圖5所示。

圖4 原始結(jié)構(gòu)的變形圖 圖5 原始結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

從圖4可以看出，框架兩端的側(cè)面板和加強(qiáng)板中部產(chǎn)生向內(nèi)凸彎曲，框架的上下橫板部分產(chǎn)生向外凸彎曲。依據(jù)材料力學(xué)知識(shí)判定，結(jié)構(gòu)側(cè)面板和加強(qiáng)板中部截面上承受最大拉伸作用力。在上橫板與加強(qiáng)板連接處可能存在較大的彎曲應(yīng)力和較大的剪切應(yīng)力，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

從圖5可以看出，最大應(yīng)力確實(shí)發(fā)生在上橫板與加強(qiáng)板的連接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，這與熱壓機(jī)在實(shí)際工作中出現(xiàn)裂紋的區(qū)域一致，表明計(jì)算過(guò)程中的簡(jiǎn)化、假設(shè)條件以及有限元模型均符合實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果可信。最大的Mises應(yīng)力達(dá)到了267 MPa，若結(jié)構(gòu)鋼板材料是Q235鋼，則應(yīng)力值超出了材料的屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯不足，同時(shí)根據(jù)計(jì)算得到，原結(jié)構(gòu)總重量超過(guò)30 t，即結(jié)構(gòu)用材較多。如果選擇Q345鋼，成本會(huì)增加。為了減少成本，還需進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案與計(jì)算結(jié)果比較

結(jié)構(gòu)的改進(jìn)需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如考慮到運(yùn)輸問(wèn)題而需要限制框架結(jié)構(gòu)的高度。再如，工作壓力的要求限制了液壓缸直徑的大小及液壓缸排列和安裝的方式，這使得中部結(jié)構(gòu)不能輕易加強(qiáng)也不能輕易削弱。因此對(duì)原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)基本上限于左右兩端。筆者提出了多種改進(jìn)方案，并進(jìn)行分析，限于篇幅，僅對(duì)2種改進(jìn)后效果較好的方案進(jìn)行分析比較。

在從原始結(jié)構(gòu)的變形情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)的上部分的橫板產(chǎn)生凸向上的彎曲變形，使結(jié)構(gòu)的側(cè)面板與橫板的連接處產(chǎn)生拉應(yīng)力。為了減小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的凸變形，圖6(a)所示為第一種改進(jìn)方案，即機(jī)架頂部保持不變，在正面板上添加1500 mm×450 mm×70 mm的加強(qiáng)板，由于液壓缸尺寸的限制，加強(qiáng)板無(wú)法貼在內(nèi)側(cè)。側(cè)面板上添加2980 mm×70 mm×60 mm的兩塊加強(qiáng)板。

圖6 改進(jìn)方案

通過(guò)有限元分析計(jì)算，最大Mise應(yīng)力為215 MPa，應(yīng)力云圖如圖7(a)所示。但在上橫板與加強(qiáng)板連接處的最大Mises應(yīng)力為215 MPa，稍大于205 MPa，選擇Q235鋼能基本滿足強(qiáng)度要求，若選擇Q345鋼，則能很好地滿足強(qiáng)度要求。但根據(jù)計(jì)算得出此方案所需材料也超過(guò)了30 t，并未達(dá)到用料省的目的。鑒于此，在第一種改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上再做修改，由于結(jié)構(gòu)側(cè)頂部的應(yīng)力很小，可以考慮削去部分結(jié)構(gòu)，在頂板沿著45°方向切去多余的材料，并進(jìn)行50 mm圓角處理，如圖6(b)所示，即第二種改進(jìn)方案。對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)面板結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，利用整板和側(cè)面加強(qiáng)筋提高強(qiáng)度，計(jì)算所得的應(yīng)力云圖如圖7(b)所示。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖7(b)可以看出，最大應(yīng)力并未發(fā)生在側(cè)面板、加強(qiáng)板和上橫板的連接處，而是發(fā)生在底板上。結(jié)構(gòu)兩端加強(qiáng)板與上橫板連接處的最大Mises應(yīng)力為216 MPa，使用Q235鋼基本滿足強(qiáng)度需求，且整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量不發(fā)生較大增加。因此，方案二對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不僅增加了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度同時(shí)也對(duì)整體的應(yīng)力情況有所改善，保證了整體重量不發(fā)生較大變化，節(jié)省了材料。

兩種方案的最大應(yīng)力都是發(fā)生在結(jié)構(gòu)底板與側(cè)面板相連接處，若此處因強(qiáng)度不足而造成破壞可以比較方便地在現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)，相對(duì)于原始結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋后修補(bǔ)較容易。因此，此兩種方案能為廠家解決實(shí)際問(wèn)題提供參考。

3 疲勞分析

3.1 疲勞分析的目的

由于熱壓機(jī)在工作中，通常要進(jìn)行每天上千次的壓力往復(fù)，所以在應(yīng)力較大的部位極容易產(chǎn)生疲勞累積，以至于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，影響工作效率，甚至危及工作人員的生命安全。因此，有必要對(duì)熱壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，以便于日常的保養(yǎng)和修復(fù)。

靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體。疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，形成損傷并逐漸積累，導(dǎo)致破壞發(fā)生?？梢?jiàn)，局部性是疲勞的顯著特點(diǎn)，零、構(gòu)件的應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起源[6]。此次的疲勞分析將重點(diǎn)放在了應(yīng)力集中的部分。

3.2 疲勞分析的計(jì)算方法

Q235鋼的S-N曲線如圖8所示，隨著拉伸應(yīng)力的增大，材料的疲勞壽命會(huì)隨著減小，當(dāng)壽命達(dá)到107時(shí)，便可以認(rèn)為材料的壽命為無(wú)限大。

圖8 Q235的S-N曲線

利用S-N曲線，對(duì)不同振幅的交變應(yīng)力依次作用時(shí)的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法有Miner累加規(guī)律[7]：

(2)

其中，Ni為第i種載荷的作用循環(huán)數(shù)，Nfi為第i種載荷單獨(dú)作用時(shí)的疲勞壽命。

平均應(yīng)力計(jì)算：

(3)

應(yīng)力幅計(jì)算：

(4)

其中，σmax表示最大應(yīng)力，σmin表示最小應(yīng)力。

3.3 nCode軟件計(jì)算

將Ansysworkbench中的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入nCode疲勞分析軟件，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析，忽略底面全固定約束帶來(lái)的誤差。通過(guò)觀察壽命圖，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)最小疲勞壽命正好在應(yīng)力集中處，符合疲勞的發(fā)生規(guī)律，深色部分的壽命相較于其他部分較短，查詢節(jié)點(diǎn)壽命可得，未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最小壽命在上橫板與加強(qiáng)板連接處，大小為2.43×104次。

圖9 結(jié)構(gòu)壽命圖

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最小壽命依然發(fā)生在上橫板與加強(qiáng)版連接處，大小為3.913×104次，相較于未優(yōu)化結(jié)構(gòu)的壽命提升了約61%，大幅度延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)熱壓機(jī)原有框架結(jié)構(gòu)的有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力所在的區(qū)域與熱壓機(jī)在實(shí)際工作中出現(xiàn)的裂紋發(fā)生區(qū)域基本一致，表明計(jì)算過(guò)程正確，計(jì)算結(jié)果可信，通過(guò)變形和應(yīng)力圖能直觀方便地了解原始結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和薄弱點(diǎn)。

2)根據(jù)原始結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)和熱壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)實(shí)際情況的需要，提出了2種改進(jìn)方案，并對(duì)其進(jìn)行了分析、計(jì)算和比較。計(jì)算結(jié)果表明，這兩種方案在強(qiáng)度上都能滿足要求。而第二種方案，不僅強(qiáng)度滿足要求，重量也未明顯增加，達(dá)到用料省的目的。

3)本文通過(guò)靜力計(jì)算，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度對(duì)原始結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)方案。事實(shí)上熱壓機(jī)的框架結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過(guò)程中也可能會(huì)因疲勞而產(chǎn)生裂紋，這需要運(yùn)用金屬疲勞破壞的理論進(jìn)行分析并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬，進(jìn)行充分必要的實(shí)驗(yàn)，才能獲得設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)，提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案。

4)本文通過(guò)疲勞分析軟件計(jì)算得出的結(jié)果，對(duì)原有模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，使其應(yīng)力集中部位的壽命得到了較大增加。

5)液壓系統(tǒng)的具體配置和操作方法也可能使得結(jié)構(gòu)有超載的可能性，載荷達(dá)24000 kN的壓力機(jī)器，就不能保證超載對(duì)框架結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生損壞，這也需要進(jìn)一步的研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

6)由于熱壓機(jī)工作時(shí)常常伴有高溫，因此在結(jié)構(gòu)分析時(shí)還應(yīng)考慮溫度變量。熱壓機(jī)的高溫過(guò)程分析將后續(xù)展開。