基于ANSYS的一種螺旋焊管機座的強度分析

虞 兵，陳靖芯，馬 祥，秦永法，竺志大

（1.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127；2.江蘇江揚建材機械廠，江蘇 揚州 225264）

0 引言

為了滿足國家西氣東輸?shù)裙こ虒Υ罂趶捷敋怃摴艿男枨螅瑖鴥?nèi)相關(guān)行業(yè)紛紛投入到螺旋焊管機的研發(fā)設(shè)計中，本文介紹了揚州大學(xué)與某企業(yè)聯(lián)合研制開發(fā)的一款螺旋焊管機，并結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點，提出了一種螺旋焊管機座的強度分析方法。

1 螺旋焊管機的組成

該螺旋焊管機主要由開卷、校平、剪板、銑邊、預(yù)彎、成型、焊接、切管等幾部分設(shè)備組成，如圖1所示。鋼板卷由開卷部分開始經(jīng)過校平與銑邊等工序，經(jīng)過預(yù)彎處理纏繞進(jìn)入成型模具筒，通過焊槍將拼接部分焊接，由切管機根據(jù)生產(chǎn)要求切斷鋼管，并且由輸送架輸出成型鋼管。這種螺旋焊管機可以通過改變鋼板開卷方向與模具筒軸線的夾角，實現(xiàn)不同直徑鋼管（筒）的生產(chǎn)。

2 螺旋焊管機座的結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)的受力分析

在鋼管（筒）成型后、下線前，焊管機模具筒支架繞垂直地面的立柱旋轉(zhuǎn)移開，整個模具筒及成型鋼管的重量通過焊管座支撐，如圖2所示。在圖2中，焊管機座上承載有減速機、電機、模具筒體及傳動輥等零部件。

根據(jù)力學(xué)分析，在模具支架旋轉(zhuǎn)離開模具筒，焊管機座單獨支撐模具筒及鋼管時，機座受力將達(dá)到最大，為了實現(xiàn)焊管機的正常工作并保證結(jié)構(gòu)的可靠與安全，需對其結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行計算驗證。對螺旋焊管機座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析的流程如圖3所示。

當(dāng)焊管機座單獨支撐其上重量時，其結(jié)構(gòu)的受力分析簡圖如圖4所示。圖4中，A點為模具筒與成型鋼管質(zhì)心點，B點為支撐錐形回轉(zhuǎn)軸的帶座軸承座的中心位置，C點為回轉(zhuǎn)軸承座支架中心，位于錐形回轉(zhuǎn)軸的錐頂，F(xiàn)x為錐形回轉(zhuǎn)軸錐頂部軸承座的水平支撐力，不考慮由于摩擦產(chǎn)生的水平力，故Fx＝0。

圖1 螺旋焊管機三維圖

圖2 鋼管下料前模具架的運動變換

圖3 焊管機座結(jié)構(gòu)強度分析流程

由圖4受力分析得到下式：

其中：∑MC為對C點的合力矩；∑Fy為y方向的合力；G為模具筒與鋼管的質(zhì)量；F1為帶座軸承座上的支撐力；Fy為錐形回轉(zhuǎn)軸錐頂部軸承座的支撐力；L1為A、B點的距離；L2為B、C點的距離。

通過將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）計算，可以得到F1與Fy的大小，另外根據(jù)設(shè)計采用的電機及減速機的質(zhì)量可知電機支座、減速機支座上的支撐力，為結(jié)構(gòu)分析提供加載力的依據(jù)。

圖4 焊管機座的受力簡圖

2.2 焊管機座的結(jié)構(gòu)強度有限元分析

對機座進(jìn)行強度分析前，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及前處理。由于設(shè)計時建立的模型為實體模型，在進(jìn)行有限元法計算時，采用實體單元計算處理工作量較大，需要重新建立簡化模型，采用殼單元模擬結(jié)構(gòu)的薄鋼板。對建立好的模型進(jìn)行前處理以及單元網(wǎng)格劃分之后，得到焊管機座的網(wǎng)格圖如圖5所示，共有43 703個殼單元。

圖5 焊管機座的網(wǎng)格圖

確定焊管機座單獨承載其上部件的重量為計算工況，根據(jù)前處理得到的有限元網(wǎng)格模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力加載，其中F1作用在帶座軸承座上，利用Rigid－Region以質(zhì)點的方式簡化代入，如圖6所示。

圖6 帶座軸承座上F 1的連接處理

對于其他如減速機支座、電機支座等所受到的力則以壓力的方式代入模擬計算。整個焊管機座下方與地面接觸的位置約束其垂直方向的位移Uy，在地腳螺栓位置約束水平方向的兩向位移Ux、Uz，如圖7所示。

在整個焊管機座的前處理中，省略了結(jié)構(gòu)不受力的附件管柱以及一些工藝孔及倒角等。

3 焊管座結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果

對機座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)計算分析，可以得到結(jié)構(gòu)的強度、剛度結(jié)果，圖8、圖9分別為焊管機座的應(yīng)力圖和變形云圖。根據(jù)計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較大位置發(fā)生在框式支座上蓋板，達(dá)到151 MPa，結(jié)構(gòu)強度滿足所選材料要求；而焊管機座整體y向變形最大為0.51 mm，結(jié)構(gòu)剛度較高。

圖7 整個機座位移約束的處理

圖8 焊管機座應(yīng)力分析結(jié)果圖

圖9 焊管機座變形云圖（y向）

對于帶座軸承座支座的結(jié)構(gòu)分析如圖10和圖11所示，最大應(yīng)力值為143 MPa，在支座底板處。

圖10 帶座軸承座支座應(yīng)力圖

圖11 帶座軸承座支座綜合變形云圖

機座主要應(yīng)力分布如表1所示。根據(jù)計算結(jié)果可以得知，整個焊管機座的結(jié)構(gòu)強度、剛度均滿足使用要求，整機能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)。

表1 焊管機座結(jié)構(gòu)主要應(yīng)力分布

在采用有限元法對機座進(jìn)行強度分析時，改變局部板材的厚度，可以得到帶座軸承座支座底板處最大應(yīng)力與板材厚度的關(guān)系圖，如圖12所示。由圖12可知，適當(dāng)減薄板材厚度也可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計強度及剛度的要求，并且降低了材料成本。

4 結(jié)束語

基于螺旋焊管機座的工作狀況，根據(jù)提出的有限元計算方法，對焊管機座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度分析。該方法有利于提高設(shè)計改型優(yōu)化的效率，降低企業(yè)的試驗成本，提高材料的利用率，促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品的競爭力，該方法可廣泛運用于該型產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)過程。

圖12 支座底板應(yīng)力隨板材厚度變化的關(guān)系

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