龍門(mén)剪切機(jī)料箱的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化*

賈 蕭，章泳健，戴國(guó)洪，陳慶樟

(1.常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500;2. 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215000)

0 引言

龍門(mén)剪切機(jī)是液壓重型機(jī)械，由剪切系統(tǒng)和打包系統(tǒng)兩部分組成，其中打包系統(tǒng)由門(mén)蓋、側(cè)壓和料箱組成，如圖1 所示。門(mén)蓋與料箱間通過(guò)鉸鏈連接，油缸推動(dòng)門(mén)蓋使其繞鉸鏈軸線旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上壓廢料，側(cè)壓部分與料箱間采用接觸表面約束，油缸推動(dòng)側(cè)壓頭實(shí)現(xiàn)側(cè)壓廢料。料箱是龍門(mén)剪切機(jī)打包系統(tǒng)中的重要支撐部件，質(zhì)量占打包系統(tǒng)的60%，其優(yōu)化質(zhì)量對(duì)節(jié)材起到重要作用。在設(shè)計(jì)階段，料箱主要采用基于樣機(jī)參考和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，相關(guān)尺寸參數(shù)對(duì)其性能的影響考慮并不完善。因此，需對(duì)料箱采用虛擬樣機(jī)、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行研究，在提高料箱性能的同時(shí)減輕自重。ANSYSworkbench 提供了與ANSYS 系列求解器相交互的強(qiáng)大方法，并與Pro/E、NX 等CAD 軟件有著良好的雙向接口［1］，是重要的CAE 分析軟件。

圖1 打包系統(tǒng)組成

本文通過(guò)在Pro/E 中建立料箱的簡(jiǎn)化中性面模型，導(dǎo)入ANSYSWorkbench 中對(duì)其賦予相應(yīng)的厚度，并以工作中受到的最大極限載荷工況為邊界條件，對(duì)料箱進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)筋板進(jìn)行合理布置并建立料箱的參數(shù)化模型，對(duì)料箱底面筋板的高度進(jìn)行假設(shè)分析，對(duì)側(cè)面筋板的厚度進(jìn)行靈敏度分析和多目標(biāo)參數(shù)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)尺寸。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果重新建立料箱中性面模型并進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 靜力學(xué)分析

有限元法是在力學(xué)模型上近似的數(shù)值方法，將模型結(jié)構(gòu)直接離散化并使用最小位能原理或虛位移原理等力學(xué)基本理論求解。其中結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析包括前處理、求解和后處理三個(gè)部分［2］，前處理是靜力學(xué)分析中最重要的部分，包括建立有限元模型、定義材料、劃分網(wǎng)格、施加載荷與約束［3］。

1.1 前處理

料箱結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為提高分析精度和求解效率［4］，需要對(duì)料箱進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。由于料箱是由鋼板焊接而成，為得到高質(zhì)量的網(wǎng)格采用“以面代體”的分析方法，即在Pro/E 中建立簡(jiǎn)化的料箱中性面模型，通過(guò)接口導(dǎo)入ANSYSWorkbench 中賦予相應(yīng)厚度。料箱的材料為Q235。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量決定結(jié)果的精度［5］，目前Workbench 中應(yīng)用程序提供了通用網(wǎng)格劃分格局，其中2D幾何有自動(dòng)劃分、均勻四邊形劃分和三角形劃分等方法。同時(shí)ANSYS Meshing 提供多種總體及局部控制的網(wǎng)格劃分方法，確保了網(wǎng)格的質(zhì)量。料箱的中性面模型采用2D 的自動(dòng)劃分方法并設(shè)置單元尺寸為50mm，得到的網(wǎng)格單元質(zhì)量為0.94。

邊界條件包括位移邊界條件和載荷邊界條件［6］。在打包過(guò)程中，包塊分別受到門(mén)蓋和側(cè)壓兩部分力的作用，在打包完成的瞬間包塊受力最大，因此取此刻的受力特點(diǎn)為極限邊界條件。假設(shè)包塊質(zhì)量均勻且充滿整個(gè)料箱，則包塊的重量約為580kN，門(mén)蓋的重量為130kN，極限工況下，門(mén)蓋油缸的最大作用力為1862 kN，與豎直方向的角度為22°，側(cè)壓頭的重力為176 kN，極限側(cè)壓力為3624 kN，油缸各支座受到反作用力。料箱的底面筋板采用固定約束，得到的邊界條件如圖2 所示。

圖2 邊界條件

1.2 結(jié)果分析

得到的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖3 至圖5 所示，由圖可知最大位移為0.95mm，產(chǎn)生在料箱側(cè)部的上端，最大應(yīng)力為279.43MPa，主要集中在側(cè)部筋板與底座的連接處，由于材料的屈服極限為235MPa，因此，料箱的局部結(jié)構(gòu)處已發(fā)生塑性變形。

圖3 料箱位移分布

圖4 料箱應(yīng)力分布(側(cè)面)

圖5 料箱應(yīng)力分布(底面)

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 筋板分布的重置

根據(jù)分析結(jié)果可知，高應(yīng)力主要分布在側(cè)筋板的底部和液壓缸座處，大部分底部和側(cè)部的筋板所受應(yīng)力極小。因此，可通過(guò)布置底部和側(cè)部筋板的分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

料箱筋板的優(yōu)化主要體在筋板數(shù)量和位置的修改，優(yōu)化后的布筋方式如圖6 和圖7 所示。對(duì)此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行靜力學(xué)分析可知，料箱的最大位移為2.02mm，最大應(yīng)力為318.44 MPa，相比原方案其力學(xué)性能較差，但重量減少近15t，約24.6%的自重。

為降低最大位移和最大應(yīng)力，提高料箱的力學(xué)性能，將對(duì)筋板的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖6 料箱筋板分布優(yōu)化(側(cè)面)

圖7 料箱筋板分布優(yōu)化(底面)

2.2 底板加強(qiáng)筋高度優(yōu)化

在PRO/E 中建立料箱的參數(shù)化模型，定義底板加強(qiáng)筋的高度參數(shù)，在workbench 下的參數(shù)管理器中進(jìn)行參數(shù)假設(shè)分析，結(jié)果如圖8 和圖9 所示，筋板的高度與最大位移成正比，與最大應(yīng)力間的關(guān)系成非線性。從節(jié)材角度分析，選擇底板加強(qiáng)筋的高度為300mm。由于料箱的力學(xué)性能提高不明顯，將對(duì)側(cè)面筋板的厚度進(jìn)行優(yōu)化，以降低最大位移和最大應(yīng)力。

圖8 最大位移與筋板高度關(guān)系

圖9 最大應(yīng)力與筋板高度關(guān)系

2.3 側(cè)板加強(qiáng)筋厚度的優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃論的基礎(chǔ)上，在滿足給定條件下達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)［7-8］，其過(guò)程包括建立參數(shù)化模型、結(jié)構(gòu)分析、定義變量和目標(biāo)函數(shù)、分析優(yōu)化結(jié)果。

為便于分析，需用同一參數(shù)變量控制相同結(jié)構(gòu)的厚度。在mechanical 模塊中，厚度是獨(dú)立設(shè)置，因此，建立簡(jiǎn)化料箱的參數(shù)化實(shí)體模型，并將參數(shù)傳遞到Workbench 中進(jìn)行尺寸分析。最后將得到優(yōu)化尺寸反饋到中性面模型中重新進(jìn)行分析對(duì)比。

側(cè)筋板的厚度參數(shù)如下圖10 所示，參數(shù)ds_1 為橫排加強(qiáng)筋的厚度，原值為40mm;參數(shù)ds_2 為豎排加強(qiáng)筋的厚度，原值為30mm;參數(shù)ds_3 為新增小加強(qiáng)筋的厚度，值為30mm。定義三個(gè)尺寸參數(shù)變化范圍設(shè)為25～40mm，對(duì)此模型進(jìn)行靜力學(xué)分析并插入Response surface 分析，得到尺寸靈敏度分析結(jié)果如圖11。

圖10 側(cè)筋板參數(shù)化

圖11 側(cè)筋板的靈敏度分析

由圖可知，尺寸1 對(duì)質(zhì)量的影響最大但對(duì)最大位移和最大應(yīng)力的影響最小，因此，尺寸1 取值范圍為25～30mm。觀察尺寸1 和尺寸2 對(duì)最大位移的響應(yīng)面如圖12 所示，從圖中可以看出尺寸2 對(duì)最大位移起著主要作用，當(dāng)尺寸1 取值在25～30mm 間時(shí)，為保證有最小的位移，尺寸2 取值范圍為35～40mm。觀察尺寸1 和尺寸3對(duì)最大應(yīng)力的響應(yīng)面如圖13 所示，從圖中可以看出尺寸3 對(duì)最大位移起著主要作用，當(dāng)尺寸1 取值在25～30mm 間時(shí)，為保證有最小的應(yīng)力，尺寸3 取值在35～40mm 間最理想。因此，ds_1 最佳取值范圍為25～30mm，ds_2 為35～40mm，ds_3 為35～40mm。

圖12 最大位移響應(yīng)面

圖13 最大應(yīng)力響應(yīng)面

為進(jìn)一步確定最佳的尺寸配合，采用多目標(biāo)尺寸優(yōu)化［9-10］，將質(zhì)量、最大位移和最大應(yīng)力設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果如圖14 所示。為便于加工制造，優(yōu)化尺寸分別采用ds_1 =26mm，ds_2 =37mm 和ds_3 =40mm。

圖14 多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果建立料箱中性面模型并進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的分析結(jié)果如圖15 和圖16 所示，料箱最大位移為0.9904mm，最大應(yīng)力為214.09MPa。優(yōu)化前后料箱的目標(biāo)參數(shù)如表1 所示，從表中可以看出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的最大位移比原方案增加0.03953mm，但最大應(yīng)力減少了65. 34MPa 且節(jié)約近19. 8t 的材料，約為32.4%的自重。

圖15 優(yōu)化后料箱位移分布

圖16 優(yōu)化后料箱應(yīng)力分布

表1 優(yōu)化前后對(duì)比

4 結(jié)論

建立料箱的簡(jiǎn)化中性面模型，并在極限工況下進(jìn)行靜力學(xué)分析。由于在筋板上的應(yīng)力分布較為集中，因此對(duì)料箱筋板進(jìn)行合理分布，并通過(guò)建立參數(shù)化模型分別對(duì)底部筋板的高度采用假設(shè)分析，對(duì)料箱側(cè)面筋板的厚度進(jìn)行靈敏度分析和多目標(biāo)參數(shù)化設(shè)計(jì)，最終得到合理的優(yōu)化尺寸。根據(jù)優(yōu)化尺寸建立料箱的中性面模型并進(jìn)行分析驗(yàn)證，結(jié)果表明料箱可節(jié)省19.8t的材料，實(shí)現(xiàn)節(jié)材32.4%。

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