2800t木板熱壓機(jī)主框架應(yīng)力分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張 杰，黃宗興，費(fèi)國(guó)強(qiáng)，王超君

（1.亳州聯(lián)滔電子有限公司，安徽亳州 236800；

2.湖州師范學(xué)院，浙江湖州 313000；3.湖州思達(dá)機(jī)械制造有限公司，浙江湖州 313023）

0 前言

在木板行業(yè)飛速發(fā)展的今天，對(duì)于木板熱壓機(jī)的工作性能需求也是在不斷的提高[1]。木板熱壓機(jī)專(zhuān)門(mén)實(shí)現(xiàn)人造板的貼面工藝，是人造板生產(chǎn)線(xiàn)中最主要的生產(chǎn)加工設(shè)備[2]。它經(jīng)常處于幾千噸液壓載荷下工作，久而久之就會(huì)出現(xiàn)較大的彈塑性變形，整個(gè)框架極易產(chǎn)生工作疲勞損傷，甚至局部結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致出現(xiàn)重大生產(chǎn)安全事故。由于框架結(jié)構(gòu)是木板熱壓機(jī)的承載主體，故其設(shè)計(jì)的合理性將直接影響木板熱壓機(jī)的使用壽命[3]。

本文將熱壓機(jī)的框架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)受力分析，并做出優(yōu)化使得熱壓機(jī)在原有的框架基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，旨在開(kāi)展基于三維建模技術(shù)和有限元分析的熱壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)的分析研究。對(duì)熱壓機(jī)框架進(jìn)行有限元的應(yīng)力仿真分析目的找出容易發(fā)生斷裂和大變形的區(qū)域，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以延長(zhǎng)使用壽命[4]。

1 熱壓機(jī)框架的建模及受力分析

根據(jù)工廠(chǎng)測(cè)得的熱壓機(jī)框架詳細(xì)尺寸，借助Pro/E 5.0分別繪制框架各組成部件并進(jìn)行相應(yīng)的組裝，得到完整的木板熱壓機(jī)框架實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 木板熱壓機(jī)框架實(shí)體模型

熱壓機(jī)框架受力可看作是對(duì)稱(chēng)負(fù)荷。側(cè)支撐板基本不受橫向力的作用，上、下底板一端承受熱壓板傳來(lái)的均勻負(fù)荷，一端承受液壓缸法蘭的支撐反力。由于框架上、下底板的剛度對(duì)于側(cè)支撐板來(lái)說(shuō)并非無(wú)窮大，也就造成側(cè)支撐板不僅只承受純拉力作用，而同時(shí)受到一定的附加彎矩作用，使框架拐角處產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，出現(xiàn)很大的局部應(yīng)力集中，造成側(cè)支撐板側(cè)向變形，側(cè)支撐板工作受載和變形簡(jiǎn)圖如圖2所示。如果框架整體的剛度變差，附加彎矩還會(huì)增加，在局部應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)低周循環(huán)載荷疲勞裂紋，從而可能導(dǎo)致工作中的整體框架出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。此外，上、下底板的剛度不足一方面影響制品的質(zhì)量，另一方面則使支承液壓缸的受力惡化。側(cè)支撐板的剛性不良，則導(dǎo)致熱壓板與活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)受阻。因此在框架的設(shè)計(jì)中，要確保上、下底板的剛度，減小附加彎矩的影響，盡力把它限制在一定的范圍內(nèi)。

圖2 熱壓機(jī)框架側(cè)支撐板受力簡(jiǎn)圖

2 應(yīng)力仿真分析

2.1 靜力計(jì)算理論基礎(chǔ)

本文框架靜力學(xué)仿真分析屬靜力學(xué)彈性應(yīng)力分析。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)線(xiàn)性分析總的等效方程為：

式（1）中：[K]是整體結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠染仃?，﹛u﹜是單元節(jié)點(diǎn)位移列陣；﹛F﹜是總外載荷列陣。

通過(guò)求解矩陣方程（1）式，可得所有單元節(jié)點(diǎn)的位移列陣。根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)定義的幾何方程、物理方程和本構(gòu)關(guān)系求得單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力，單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算表達(dá)式如下：

式（2）、（3）中：﹛ξe﹜是單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)變列陣；[B]是應(yīng)變矩陣；﹛σ﹜是單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力列陣；[D]為彈性矩陣，它取決于材料的彈性模量E與泊松比μ。通過(guò)求解式（2）和（3），可得整體框架結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的彈性應(yīng)力和彈性應(yīng)變[5]。

2.2 FEA建模計(jì)算

由于木板熱壓機(jī)框架結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱(chēng)性，取1/4三維實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS12.0后劃分網(wǎng)格[6]如圖3所示。

圖3 1/4框架FEA模型

本文所選熱壓機(jī)框架的噸位是2 800噸，所以就四分之一的框架的載荷按（4）式計(jì)算：

熱壓機(jī)框架FEA網(wǎng)格模型建立后，通過(guò)AN?SYS軟件中的拾取點(diǎn)的功能，在下底板上均勻的拾取了1 789個(gè)點(diǎn)，而在上方兩個(gè)承受力的法蘭圈上則均勻的拾取了444個(gè)點(diǎn)。根據(jù)牛頓第三定律，應(yīng)確保施加于上方兩個(gè)法蘭圈上的總作用力嚴(yán)格等于熱壓機(jī)下底板上所承受的總壓力，如此熱壓機(jī)框架的上底板是通過(guò)法蘭圈的力傳遞起作用，而下底板則直接受到均勻的壓力作用。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，整個(gè)機(jī)架通過(guò)地腳螺栓連接到地基上，因此熱壓機(jī)框架的底部節(jié)點(diǎn)約束為全約束，而由于應(yīng)力分析的框架的大小為原框架的四分之一，所以還需對(duì)熱壓機(jī)框架已切除的面上施加對(duì)稱(chēng)約束。至于于在頂端支撐熱壓機(jī)所用油箱的筋條，由于整個(gè)油箱在受力中被忽略了，但是此筋條也起到了支撐作用，而且也是對(duì)稱(chēng)的，所以在此處也應(yīng)加上對(duì)稱(chēng)約束。

2.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置好所有的邊界約束條件，直接采用AN?SYS求解器進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，并對(duì)應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性分析。圖4所示為木板熱壓機(jī)1/4框架的等效位移圖，可見(jiàn)熱壓機(jī)的最大等效位移位于油缸法蘭所處的上底板位置，最大位移可達(dá)2.874 mm，這一位移結(jié)果符合原有的木板熱壓機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)上底板產(chǎn)生較明顯的彎曲變形。圖5所示表明熱壓機(jī)工作過(guò)程中，最大集中應(yīng)力發(fā)生于側(cè)支撐板拐角處，并且應(yīng)力值達(dá)到了617.262 MPa，遠(yuǎn)超Q235材料本身的屈服強(qiáng)度，由于線(xiàn)性靜力計(jì)算未計(jì)及材料熱壓機(jī)工作時(shí)塑性變形后結(jié)構(gòu)內(nèi)部載荷會(huì)重新分配的影響，故該彈性集中應(yīng)力值僅表明結(jié)構(gòu)在該拐角的應(yīng)力集中系數(shù)偏大，應(yīng)該考慮進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)降低有害的應(yīng)力集中現(xiàn)象，確保結(jié)構(gòu)處于健康的工作狀態(tài)。

圖4 1/4熱壓機(jī)框架等效位移

圖5 1/4側(cè)支撐板拐角處最大等效應(yīng)力

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 優(yōu)化前側(cè)支撐板形狀

根據(jù)上述的彈性靜力仿真分析，可知側(cè)支撐板拐角處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)合工廠(chǎng)施工現(xiàn)場(chǎng)以及快速可行的修補(bǔ)措施后，本文提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如圖6，7，兩者對(duì)優(yōu)化前后的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比。圖8通過(guò)三維結(jié)構(gòu)更加形象地描述了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，即在側(cè)支撐板與上底板交界的拐角處（應(yīng)力集中最大處）擴(kuò)大圓弧倒角[7]。

圖7 優(yōu)化后側(cè)支撐板形狀

圖8 修改后1/4三維實(shí)體模型

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的FEA模型受載情況和邊界條件定義沒(méi)有發(fā)生任何改變，故仍按照原有設(shè)置的條件和材料參數(shù)導(dǎo)入ANSYS計(jì)算，得出如圖9所示的1/4框架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力降至232.432 MPa，稍低于框架材料Q235的屈服強(qiáng)度235 MPa，即有效避免了木板熱壓機(jī)的框架在工作狀態(tài)下不發(fā)生材料循環(huán)累積屈服而致結(jié)構(gòu)疲勞失效發(fā)生[8]。

圖9 優(yōu)化后框架的最大等效應(yīng)力

表1 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)照?qǐng)D

表1詳細(xì)對(duì)比了木板熱壓機(jī)框架優(yōu)化前后的最大等效應(yīng)力區(qū)間和最大等效位移區(qū)間，顯然結(jié)構(gòu)優(yōu)化后整體框架的最大等效應(yīng)力值降到材料屈服強(qiáng)度以下，最大等效位移也下降了35%左右，如此設(shè)計(jì)可確保了熱壓機(jī)在最大設(shè)計(jì)載荷下正常穩(wěn)定工作，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)論

根據(jù)上述木板熱壓機(jī)框架局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的應(yīng)力仿真分析結(jié)果和對(duì)照，首先可清楚看到框架上下底板的最大等效位移為1.831 mm，比優(yōu)化設(shè)計(jì)前的最大變形2.874 mm要小了1 mm多，降低36.3%，可見(jiàn)加了側(cè)面支撐板的拐角處增加倒角半徑相當(dāng)于增設(shè)了加強(qiáng)筋的方法，總體上效果還不錯(cuò)；其次，在優(yōu)化后的框架上沿和下沿的應(yīng)力集中處，框架整體最大等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果由617.262降至232.432 MPa，降幅達(dá)到62.3%，稍低于熱壓機(jī)框架所采用的Q235材料的屈服強(qiáng)度極限，而且優(yōu)化后的熱壓機(jī)倒角處的應(yīng)力分布較沒(méi)有修改前時(shí)的應(yīng)力分布更加均勻，如此可有效減少木板熱壓機(jī)在每一次工作循環(huán)過(guò)程的局部應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)發(fā)生循環(huán)塑性變形累積，大幅增加了木板熱壓機(jī)整體框架的使用壽命；最后，基于ANSYS的等效應(yīng)力仿真計(jì)算可以為木板熱壓機(jī)相關(guān)機(jī)械設(shè)備的強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可行的設(shè)計(jì)方法。

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