基于ANSYS折彎機(jī)機(jī)架的有限元分析

顧忠新，胡智明

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 前言

折彎機(jī)是一種非常重要的鈑金加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、汽車制造、開關(guān)、電子設(shè)備加工等行業(yè)。通過采用不同的模具就能把金屬板料折彎成各種不同形狀的工件。機(jī)架是折彎機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的零件，它不但是所有零件的裝配基體，而且承載著剪板機(jī)工作中的所有載荷，因此，機(jī)架強(qiáng)度不但影響著折彎機(jī)的壽命，而且對工件的加工精度也產(chǎn)生巨大影響[1]。

隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的工程技術(shù)人員采用CAD/CAE 技術(shù)[2]。采用CAE 技術(shù)不但能夠提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、加快研發(fā)周期，還可以對產(chǎn)品進(jìn)行分析與優(yōu)化，減少產(chǎn)品重量、節(jié)省原材料、提高設(shè)計(jì)可靠性。

本文以WDB225-4000 液壓數(shù)控折彎機(jī)機(jī)架為研究對象，利用大型CAD 設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 和有限元分析軟件ANSYS 對折彎機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得出其最大應(yīng)力值、最大位移值以及前十階的固有頻率，為以后機(jī)架的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 靜力學(xué)分析

1.1 幾何模型建立

由于折彎機(jī)機(jī)架模型非常復(fù)雜，為縮小計(jì)算規(guī)模且保證計(jì)算精度，需要對機(jī)架模型進(jìn)行簡化。這樣網(wǎng)格劃分后不但單元數(shù)量相對減少，而且采用單元的形態(tài)也相對簡單。基于此，將機(jī)架模型導(dǎo)入ANSYS 前，需對機(jī)架進(jìn)行如下簡化處理：①由于機(jī)架是焊接結(jié)構(gòu)，且本文重點(diǎn)不是分析焊縫處的應(yīng)力，因此可將機(jī)架視為理想焊接，即將機(jī)架的三維模型按單一零件建模。處理后不但方便三維建模，而且不用對每個(gè)零件都進(jìn)行網(wǎng)格劃分，減少了前處理階段的工作量。②對某些構(gòu)件可以進(jìn)行簡化或等效合并，并保持其結(jié)構(gòu)特性。③忽略螺紋和圓角。

采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 對機(jī)架進(jìn)行建模并保存為x_t 格式，然后通過SolidWorks 與ANSYS軟件的接口將機(jī)架的三維模型導(dǎo)入ANSYS 中。導(dǎo)入后的模型如圖1 所示。再將線框模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，如圖2 所示。

圖1 機(jī)架線框模型

圖2 機(jī)架實(shí)體模型

1.2 材料的力學(xué)特性

本文中機(jī)架是采用材質(zhì)為Q235A 的普通鋼板焊接而成。其材料參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)架材料基本參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS 單元庫中包含有很多單元類型。每一種單元類型都是由名稱和代號組成的，具有特定的單元性能[3]。通常將這些單元類型按結(jié)構(gòu)一般分為殼體單元、實(shí)體單元、梁單元等。在工程的實(shí)際問題處理中，有些問題需要按照空間問題進(jìn)行求解。在解決空間問題中使用比較廣泛的應(yīng)該是4 節(jié)點(diǎn)四面體單元，其中本文選用的就是邊界擬合能力非常好的四面體Solid92 單元。

網(wǎng)格劃分是有限元分析中最重要的一步。在對實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要先確定網(wǎng)格的類型和單元尺寸大小[4]。由于機(jī)架模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于采用映射網(wǎng)格劃分，因此本文采用適應(yīng)性比較強(qiáng)的自由網(wǎng)格劃分。劃分后的有限元模型如圖3 所示。

圖3 機(jī)架有限元模型

1.4 加載與求解

為保證折彎機(jī)在工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生剛體位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，需要使用地腳螺栓將機(jī)架的地腳與地基相連，產(chǎn)生的預(yù)緊力作用在地腳上。基于此，在機(jī)架的四個(gè)地腳上施加約束，并約束其全部自由度。

本折彎機(jī)中每個(gè)油缸都是通過八個(gè)螺釘固定在左右座板上，這樣不僅增大了受力面積，而且其在水平方向上不受任何外力影響，因此可以將機(jī)架和油缸視為一個(gè)整體，并在有限元分析中將其接觸類型視為結(jié)合。

WDB225-4000 板料折彎機(jī)的公稱折彎力為2250kN，在實(shí)際工作中機(jī)架所受載荷主要分為兩種情況：一種是油缸活塞連桿處的支反力，方向豎直向上； 另一種是通過滑塊傳遞到工作臺表面的均布載荷，方向豎直向下。

施加完上述載荷后即可進(jìn)行求解。

1.5 結(jié)果與分析

求解后的結(jié)果如表2 所示，總位移云圖如圖4所示，總應(yīng)力云圖如圖5 所示。

表2 機(jī)架分析結(jié)果

圖4 機(jī)架總位移云圖

剛性分析： 根據(jù)上面表格以及總位移云圖可以看出，機(jī)架的上半部分特別是油缸處的變形最大，越往下變形量越小，這與機(jī)架在實(shí)際情況工作中的狀況相吻合，結(jié)果也相對比較合理。同時(shí)，工作臺在y方向上的變形量為0.63mm，而本公司的專利技術(shù)楔塊補(bǔ)償最大補(bǔ)償量為1.5mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

應(yīng)力分析：從應(yīng)力云圖中可以看出，最大應(yīng)力值為438MPa，發(fā)生在油缸座板與側(cè)板的連接處。在折彎機(jī)實(shí)際工作中，此處也是我們所謂的“ 危險(xiǎn)區(qū)域”，因此分析結(jié)果與實(shí)際相符合。這里需要指出的是在實(shí)際設(shè)計(jì)中此處要求焊接，焊高為30mm，并且在油缸座板側(cè)面還有加強(qiáng)筋，因此，此處的應(yīng)力集中很容易消除。所以上述油缸座板處的應(yīng)力值是無效數(shù)據(jù)，不可作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

由上面分析可知此機(jī)架還有很大的優(yōu)化空間，在將來的研究分析中，可以在不影響機(jī)架整體剛度的情況下，減少機(jī)架重量，提高機(jī)架性價(jià)比。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析可得出設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型[5]，它們是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，決定著設(shè)計(jì)成果的優(yōu)劣。同時(shí)模態(tài)分析也是其他動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，是做譜分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析前必須做的準(zhǔn)備。

對于工程實(shí)際應(yīng)用問題，高階模態(tài)影響非常小，一般不需要求出系統(tǒng)的所有的固有頻率和振型，而只需求出前幾階低階模態(tài)即可[6]，結(jié)合本課題的實(shí)際情況，本文只對前10 階模態(tài)進(jìn)行分析。分析后的結(jié)果如表3 所示。

表3 機(jī)架固有頻率和振型描述

觀察上表可知：前幾階振動(dòng)頻率比較集中，當(dāng)外界的振動(dòng)頻率等于機(jī)架的固有頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，機(jī)架的振動(dòng)加劇，將對機(jī)架產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞現(xiàn)象，因此，在實(shí)際工作中應(yīng)盡可能避免這段頻率。通過與實(shí)際工作狀況的比較，ANSYS 的分析得出的固有頻率是可信的。

3 結(jié)束語

（1）通過對WDB225-4000 折彎機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，得出了機(jī)架的最大應(yīng)力值、最大位移值以及前十階固有頻率，反映了原設(shè)計(jì)的不足，為以后機(jī)架的設(shè)計(jì)優(yōu)化指明了方向。

（2）ANSYS 分析得出的結(jié)果與機(jī)架實(shí)際工作過程中出現(xiàn)的問題基本吻合，可見，采用這種方法對機(jī)架進(jìn)行模擬分析是合理的。

（3）本文對機(jī)架進(jìn)行的模態(tài)分析，為將來做響應(yīng)分析、 譜分析以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析提供了重要的模態(tài)參數(shù)，并為進(jìn)一步建立機(jī)架結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程，深入研究折彎機(jī)振動(dòng)問題和折彎機(jī)噪聲問題等奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]倪小宇，易 紅，湯文成，等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)有限元分析與優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005，（2） ：46-48.

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[3]李衛(wèi)民，楊紅義，王宏祥.ANSYS 工程結(jié)構(gòu)實(shí)用案例分析.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]王 珺，魏志國，郭艷君，等.基于ABAQUS 的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床送進(jìn)橫梁模態(tài)分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（3）.

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[6]馬 闖，等.肘桿式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身有限元分析與優(yōu)化[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（1）.