中空吹塑機(jī)下模板的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

余歷晴, 王虎奇

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 柳州 545004)

中空吹塑機(jī)下模板的有限元分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)*

余歷晴, 王虎奇

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 廣西 柳州 545004)

利用有限元軟件ANSYS對(duì)中空吹塑機(jī)下模板進(jìn)行有限元分析，找出下模板的最大應(yīng)力區(qū)與最大變形值，為減少變形，在優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上對(duì)下模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。新結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果顯示，在體積減小的情況下，其最大變形和最大應(yīng)力值都比原結(jié)構(gòu)有所減小。

中空吹塑機(jī)；下模板；改進(jìn)設(shè)計(jì)；ANSYS

0 引 言

下模板是一步法中空吹塑機(jī)的主要承載零件，一步法中空吹塑機(jī)應(yīng)用的是注射吹塑成型方法；注射吹塑成型是用注射機(jī)將熔料注入模具內(nèi)制取型坯，再將型坯趁熱放到吹塑模具內(nèi)，通入空氣使型坯吹脹的一種成型方法[1]。

ANSYS是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化大型通用的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件之一，是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件[2]。該軟件能實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化， 能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析，具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能及強(qiáng)大的非線性分析功能。其主要功能有：結(jié)構(gòu)分析、熱分析、模態(tài)分析、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析(熱應(yīng)力)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。結(jié)構(gòu)分析是ANSYS軟件最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域。筆者應(yīng)用ANSYS的結(jié)構(gòu)分析及參數(shù)優(yōu)化功能對(duì)某精業(yè)機(jī)器有限公司的WD55D一步法中空吹塑機(jī)下模板進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，并找出下模板的最大應(yīng)力區(qū)與最大變形值，為減少變形在優(yōu)化分析的基礎(chǔ)上對(duì)下模板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 有限元計(jì)算

1.1 建立有限元模型

下模板的作用是固定導(dǎo)桿并與液壓缸活塞桿連接，在液壓缸活塞桿的作用下帶動(dòng)導(dǎo)桿使上模板來(lái)回上下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)模具上下運(yùn)動(dòng)。因此它的前方設(shè)計(jì)有上下承壓突臺(tái)，承受來(lái)自液壓缸的壓力及導(dǎo)桿的拉力。模板四角有導(dǎo)桿相連，左右對(duì)稱?？紤]其結(jié)構(gòu)特征及作用其上的載荷對(duì)稱性，取1/4作為分析模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，忽略安裝螺孔等小孔的影響以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形狀，在ANSYS中建立模板的三維幾何模型。

1.2 網(wǎng)格劃分

下模板材料為T500-7，屈服強(qiáng)度σs=320 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=500 MPa，彈性模量E=1.69×105MPa，泊松比μ=0.275，密度σ=7.1 t/m3。由于模板在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，因此在建立有限元模型時(shí)，只要取原模型的1/4即可，這樣可以大大減少工作量、提高效率。根據(jù)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)單元采用10節(jié)點(diǎn)的四面體的Solid92單元[3]，自適應(yīng)精度控制進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，得到單元(element)總數(shù)為521 77，節(jié)點(diǎn)(node)總數(shù)為109 86。

1.3 加載并求解

(1) 加載荷 WD55D一步法中空吹塑機(jī)采用的是垂直式合模機(jī)構(gòu)，當(dāng)模具閉合鎖緊時(shí)，液壓油缸活塞桿伸長(zhǎng)，壓力全部作用在下模板上。液壓油缸直徑d=200 mm,液壓系統(tǒng)壓力P=21 MPa,合模力F=Pπd2/4=659 734 N；其實(shí)物安裝圖及結(jié)構(gòu)載荷分布圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 下模板的安裝圖

(2) 加約束 下模板主要依靠導(dǎo)桿連接，它們之間由螺母固定，可看作沿導(dǎo)桿孔周圍環(huán)面給予固定約束；在對(duì)稱面上加對(duì)稱約束。

(3) 求解 運(yùn)行SOLUTION-SOLVE-CURRENT LS，進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算[4]。

圖2 下模板的結(jié)構(gòu)及載荷分布圖

1.4 結(jié)果分析

從云圖查看模板的應(yīng)變、應(yīng)力分布情況，由圖3可以看出，下模板的最大變形較小，最大值僅為0.267 mm，其剛度較高。由中心向外遞減，且離載荷區(qū)越遠(yuǎn)變形越小。

圖3 下模板變形云圖

圖4 下模板等效應(yīng)力云圖

由圖4可以看出，最大應(yīng)力在4個(gè)導(dǎo)桿孔大螺母安裝接觸面上，位于該安裝面邊緣與對(duì)角肋板交匯處，局部最大應(yīng)力為243.3 MPa，提取模型體積V=0.005 646 6 m3。所得結(jié)果與工廠提供的實(shí)際工況相吻合，下模板裂紋主要出現(xiàn)在米字形筋板部位及拉桿孔約束處。這表明所建立的分析模型是合理的，能夠反映下模板真實(shí)的受力情況。

2 下模板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 建立優(yōu)化模型

本區(qū)土壤中全磷含量略微偏低(表5)，在土壤全氮養(yǎng)分地球化學(xué)等級(jí)中，僅發(fā)現(xiàn)有四等和五等土壤全氮量養(yǎng)分等級(jí)，其中四等土壤占調(diào)查區(qū)面積的8.82%，全磷含量介于0.455～0.464 g/kg；五等土壤面積約占調(diào)查區(qū)面積91.18%，全磷含量介于0.14～0.385 g/kg，略低于中國(guó)土壤全磷含量。由此可知，本區(qū)土壤全磷主要處于較缺乏狀態(tài)。

圖2所示為下模板結(jié)構(gòu)模型，其高度H=150 mm,其承載面承受壓應(yīng)力P=4×F/π(D12-D22)=16.2 MPa，材料屬性同上。對(duì)原有模型作局部簡(jiǎn)化，框架保持不變，以壁厚W1、W2，高度H1、H2為設(shè)計(jì)變量，在滿足許用應(yīng)力[σ]=243.3MPa(取原來(lái)分析最大應(yīng)力),[Usum]=0.267 mm(取原來(lái)分析最大應(yīng)變)的條件下，求目標(biāo)函數(shù)下模板的重量W最輕。

綜合上述內(nèi)容，得到下模板的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型：

(1)

式中：Smax為結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力；Umax為結(jié)構(gòu)最大變形量。

2.2 參數(shù)化建模及分析

APDL是ANSYS內(nèi)嵌的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種用來(lái)完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方程建立分析模型的腳步語(yǔ)言，程序的輸入可以根據(jù)指定的函數(shù)、變量以及選用的分析類型來(lái)確定[5]；用APDL語(yǔ)言建立下模板的參數(shù)化幾何模型、有限元分析模型，下模板的材料為QT500-7，材料參數(shù)設(shè)置、約束條件及載荷的施加與有限元分析設(shè)置相同，單元設(shè)為Solid92的10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元。

表1 下模板的優(yōu)化結(jié)果

由表1所示可知，優(yōu)化方案后下模板的剛度約束、強(qiáng)度約束以及體積都比原結(jié)構(gòu)有所變小。在圖5中，方案經(jīng)過4次優(yōu)化迭代獲得滿足剛度和強(qiáng)度約束條件下下模板體積最??；實(shí)際進(jìn)行了13次優(yōu)化迭代，受懲罰因子的影響，連續(xù)出現(xiàn)6次不可行迭代時(shí)，優(yōu)化迭代終止。

圖5 目標(biāo)函數(shù)與迭代次數(shù)之間的關(guān)系

2.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)迭代結(jié)果，把下模板壁厚W1由50 mm改為48 mm、W2由50 mm改為42 mm，高度H1由120改為128 mm、H2由70 mm改為84 mm；在其它尺寸不變情況下，再進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果最大位移減小為0.252 mm，最大應(yīng)力減小為217.6 MPa(如圖6、7所示)。

圖6 改進(jìn)后應(yīng)變分布云圖

圖7 改進(jìn)后應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)WD55D一步法中空吹塑機(jī)下模板的有限元分析結(jié)果表明：下模板承載區(qū)變形較小，孔周圍局部應(yīng)力較大，應(yīng)力分布不均。在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免受力過于集中，加強(qiáng)承載區(qū)域的改進(jìn)。

(2) 用ANSYS內(nèi)嵌的APDL語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了下模板的參數(shù)優(yōu)化，為以后同系列機(jī)器下模板的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1] 黃漢雄.塑料吹塑技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[2] 張洪才，何 波.有限分析ANSYS13.0從入門到實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3] 郝立紅.基于ANSYS的大型柱塞缸缸體的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2013,5(26)：118-119.

[4] 李 競(jìng)，李小平，陳宏濱.運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)注塑機(jī)調(diào)模板進(jìn)行有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2003(3)：60-61.

[5] 龔曙光，謝桂蘭，黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令流手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Finite Element Analysis and Improved Design of the Lower Plate in Hollow Blow Molding Machine

YU Li-qing, WANG Hu-qi

(SchoolofMechanicalEngineering,GuangxiUniversityofScienceandTechnology,LiuzhouGuangxi545004,China)

The stress and strain of the lower template in hollow blow molding machine are analyzed by using the finite elements analysis software ANSYS, the maximum stress area and maximum deformation value of the lower template are found out. To reduce distortion, the structure of the lower template is improved and design based on the optimization analysis. The results of the new structure show that the maximum deformation and the maximum stress value have declined comparing with the original structure when the volume was reduced.

hollow blow molding machine; lower template; improved design; ANSYS

2014-01-27

廣西教育廳資助項(xiàng)目(編號(hào)：201203YB128) ，廣西工學(xué)院博士基金(編號(hào)：院科博11Z11)。

余歷晴(1987-)，男，江西撫州人，在讀碩士，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究工作。

TH164

A

1007-4414(2014)02-0145-03