300 MN薄板成型壓機框架有限元分析及結(jié)構優(yōu)化

陳惠娟,姜 峰,李吉萍

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730314)

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300 MN薄板成型壓機框架有限元分析及結(jié)構優(yōu)化

陳惠娟,姜 峰,李吉萍

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州 730314)

采用有限元方法對300 MN多缸薄板成型壓機框架進行了應力分析,查看應力集中情況,并對容易產(chǎn)生應力集中的初始圓角進行局部優(yōu)化,得出圓角最優(yōu)變量值。再結(jié)合各種常見的過渡圓角結(jié)構,賦予變量參數(shù),進行局部集中應力優(yōu)化,找出最優(yōu)過渡圓角結(jié)構,以改善壓機框架應力集中的情況。

壓機框架;液壓機;應力分析;圓角優(yōu)化

薄板是板式換熱器的主要組成部分之一,其壓制精度要求較高,傳統(tǒng)的薄板成型液壓機由于自身工作臺的變形量大,并且隨著液壓機噸位的提高,工作臺變形量增大,導致作用于模具上的載荷不均勻,不能滿足實際生產(chǎn)中的精度要求。近期我公司自主研發(fā)的300 MN多缸薄板成型液壓機(以下簡稱壓機),近乎均布的多個油缸同時作用工作臺成型,降低了工作臺自身受力不均導致的變形,使得模具受力更加均勻,壓制的薄板成型產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、精度高。

機架是壓機的主體,設計的合理與否直接關系到壓機的整體強度及工作精度,國內(nèi)不少學者在機架這方面進行了探索分析[1-6],由于我們所研究的壓機在國內(nèi)尚屬空白,沒有查閱到相關機組的研究報導,在不清楚框架應力集中規(guī)律的情況下,盲目增加材料,不僅會增加成本,而且未必達到效果。

針對上述情況,以壓機框架為研究對象,運用有限元分析法對其在極限工作載荷狀態(tài)下進行分析,得到框架任意位置的應力分布狀態(tài),為進一步對框架優(yōu)化結(jié)構布局提供依據(jù)。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

該壓機機架為框架式,框架是由多片等尺寸的O形板疊加,通過拉桿連接組成的,O形板為整塊鋼板切去中間區(qū)域的整板,可以將其看作由上橫梁、立柱、下橫梁三部分組成,壓機框架結(jié)構如圖1所示。

1.拉桿組件; 2.O形板圖1 壓機框架結(jié)構示意圖Fig.1 Press frame structure diagram

采用三維建模軟件Solidworks建立O形板的幾何模型,造型時對不影響整體強度剛度的一些細節(jié)結(jié)構進行簡化,然后將建好的模型導入到ANSYS workbench軟件中進行網(wǎng)格劃分。全部采用六面體單元對模型進行自由網(wǎng)格劃分,并對圓角過渡區(qū)域進行細化,網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)秀,單元類型選取為實體Solid186號單元。

1.2 邊界條件加載

壓機在一個工作周期內(nèi)有加載、保壓和卸載三個工作狀態(tài),分析不考慮動態(tài)載荷的影響,僅對壓機框架在保壓狀態(tài)下進行靜態(tài)強度分析。

壓機工作時,多個加載油缸的壓力通過工作臺、被壓板材及模具等作用于上橫梁,下橫梁連接板承受著底座對油缸的支撐反力,框架受力可看作是對稱負荷。油缸分布狀態(tài)可近似為均布,為了簡化問題,將框架上、下作用力區(qū)域的載荷近似等效為均布面載荷,忽略底座、模具、工作臺及被壓板材等的重量。由于框架區(qū)域受均勻載荷,分析框架的應力情況與單個O形板的應力情況近似,研究以一個O形板為分析對象,求解其在極限載荷下的應力情況,以了解整個框架的應力分布。

壓機輸出最大總載荷為300 MN,共有24個O形板,平均每個板受力為12.5 MN,為對稱載荷,對其加載兩個大小相等、方向相反的力。根據(jù)壓機實際運行情況,框架通過基礎梁固定在基礎之上,將O形板凸邊下底面與基礎梁接觸部分定義為全約束,側(cè)面與基礎梁接觸部分約束、自由度等O形板結(jié)構簡圖及有限元分析模型如圖2所示。O形板材料為Q345B,材料彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7.85×103kg/m3,屈服強度為345 MPa。

1.全約束; 2.約束x、z兩個自由度圖2 O形板結(jié)構簡圖及有限元分析模型Fig.2 O shaped plate structure diagram and finite element analytical model

1.3 結(jié)果分析

通過對壓機框架的有限元分析,得出其最大工況載荷下的等效應力分布,如圖3所示。分析結(jié)果表明,機架的受力不均勻,存在較為嚴重的應力集中現(xiàn)象,立柱及上橫梁上部、中間部分應力值較大,對應的集中應力分別為191.1 MPa、169.9 MPa,機架材料為Q345B,其屈服強度為345 MPa,設計要求安全系數(shù)為2.2,其許用應力為156.8 MPa,應力集中區(qū)域的最大應力值均已超過許用應力。

圖3 等效應力云圖(0～191 MPa)Fig.3 Equivalent stress nephogram (0～191 MPa)

將上圓角處的應力云圖局部放大,見圖4,從圖4中可以看出,圓角的最大應力點位于立柱端的過渡圓弧處,該模型在過渡圓角處存在應力集中。

圖4 圓角區(qū)域等效應力云圖(0～191 MPa)Fig.4 Equivalent stress nephogram in circular bead area (0～191 MPa)

在實際使用中,壓機整個框架長時間承受幾萬噸的載荷作用,框架上橫梁與立柱的過渡區(qū)域、下橫梁與立柱的過渡區(qū)域是其強度最弱區(qū)域,該區(qū)域承受上橫梁、下橫梁對立柱的拉伸應力和彎曲應力,是框架受力最大區(qū)域,也是應力集中系數(shù)最大區(qū)域[7]。該應力主要由框架立柱側(cè)向變形及上、下橫梁彎曲變形引起,為拉應力和彎曲應力的合成,該應力也為工作應力,可通過優(yōu)化圓角結(jié)構參數(shù),減小材料的集中應力系數(shù),確保應力在材料的許用范圍之內(nèi)。

2 過渡圓角結(jié)構參數(shù)優(yōu)化

在初始模型有限元分析的基礎上,對初始模型的圓角部分參數(shù)化并進一步優(yōu)化。O形板過渡處的初始圓角結(jié)構如圖5所示,圓角為1個過渡圓弧槽,圓弧槽的半徑為R0,圓弧的圓心到上橫梁底面的距離為H0,到立柱側(cè)面的距離為M0。

優(yōu)化的設計變量為

X=[R0,H0,M0],

其中:R0∈[100,200];H0∈[5,100];M0∈[5,100]。

圖5 圓角結(jié)構示意圖Fig.5 Circular bead structure diagram

目標函數(shù)選擇圓角區(qū)域的最大等效應力,優(yōu)化方法選擇ANSYS workbench中的直接優(yōu)化方法。通過優(yōu)化,得出該過渡圓角優(yōu)化后的最大應力值為174.4 MPa。

在壓機框架初始剛度下,O形板的過渡圓角優(yōu)化后,與初始模型的分析結(jié)果相比,圓角區(qū)域的最高應力值減小了16.67 MPa,但仍大于材料的許用應力,說明該過渡圓角結(jié)構不適于實際工況要求,有必要對該結(jié)構進行改進。

通過改進初始模型的過渡圓角結(jié)構,并對改進后的圓角結(jié)構進行參數(shù)優(yōu)化,找出最優(yōu)結(jié)構參數(shù)變量值。常見的圓角結(jié)構如圖6所示[3,8]。

根據(jù)以上優(yōu)化分析結(jié)果,將初始模型不合理的過渡圓角結(jié)構分別更換為圖6中的7種圓角結(jié)構形式,保持初始模型剛度及施加的極限載荷大小不變,采用上述局部優(yōu)化分析的方法,將各圓角結(jié)構參數(shù)化,設置對應的變量范圍,以圓角區(qū)域的最大應力值作為目標函數(shù),求出各結(jié)構下的最優(yōu)目標函數(shù)值。對比分析結(jié)果,選出較理想的過渡圓角結(jié)構。

圖6 常見過渡圓角結(jié)構Fig.6 Common transition circular bead structure

各結(jié)構的變量定義范圍、優(yōu)化后的最優(yōu)變量值及對應的最優(yōu)目標如表1所列。

表1 各結(jié)構優(yōu)化結(jié)果及對比

通過表1可以看出結(jié)構e、f、g為較好的過渡圓角結(jié)構,其中結(jié)構e橢圓圓弧是以上提及的所有常用圓角結(jié)構中最好的過渡結(jié)構,最高應力值降至材料許用應力范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

通過以上分析與優(yōu)化可以得出以下結(jié)論:

(1) 通過對初始模型應力分析可得,初始圓角結(jié)構并不合理,存在較為嚴重的應力集中,并且最高應力為191.1 MPa,超過材料的許用應力。

(2) 通過對初始模型圓角結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化,得出初始模型的最優(yōu)結(jié)構,最高應力得到一定程度的下降,但優(yōu)化之后圓角區(qū)域的最高應力仍大于材料的許用應力,說明初始模型的圓角結(jié)構不合理。

(3) 將初始模型的圓角結(jié)構更換成不同的圓角結(jié)構并進行參數(shù)化優(yōu)化,結(jié)果表明1/4橢圓弧(結(jié)構e)是最優(yōu)圓角結(jié)構。該圓角結(jié)構基本不存在集中應力的情況,圓角區(qū)域的最大應力為85.59 MPa,相比于初始結(jié)構的最大應力其下降了55%。

[1] 高翔,胡淼.框式熱壓機機架有限元分析及結(jié)構優(yōu)化設計[J].機械設計,2009,26(4):62-64.

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300 MN Sheet Moulding Press Frame Finite Element Analysis and Structure Optimization

Chen Huijuan,Jiang Feng,Li Jiping

(LanzhouLsEnergyEquipmentEngineeringInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730314,China)

Analyze the stress of 300 MN multi-cylinders sheet moulding press frame by finite element method and observe the situation of centralized stress;optimize the part of initial circular bead which easily makes stress centralized,as last,the optimized variable value of circular bead is concluded.Furthermore,with every kind of common transition corner structure,we give variable parameter to optimize centralized stress in part and find out the best transition corner structure,reaching the aim of improving the situation that stress is centralized.

Press frame;Hydraulic machine;Stress analysis;Circular bead optimization

Chen Huijuan,Jiang Feng,Li Jiping.300 MN Sheet Moulding Press Frame Finite Element Analysis and Structure Optimization[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(6):65-68.[陳惠娟,姜峰,李吉萍.300 MN薄板成型壓機框架有限元分析及結(jié)構優(yōu)化[J].甘肅科學學報,2016,28(6):65-68.]

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.06.013.

2015-06-04;

2015-07-21.

甘肅省科技重大專項(143GKDA014).

陳惠娟(1985-),女,福建詔安人,碩士,工程師,研究方向為鍛壓機械的研發(fā)設計.E-mail:juanhuichen@163.com.

TG315.4;TH123+.4

A

1004-0366(2016)06-0065-04