空间板系结构闭式数控回转头压力机机身有限元分析

空间板系结构闭式数控回转头压力机机身有限元分析

1优化设计中存在的问题高速、高效率、高精度是压迫机械技术的发展趋势之一。数控回转头压力机是一种高效、柔性、精密的板材加工设备,因其对现代工业生产良好的适应性而愈来愈受到人们的重视,目前已在锻压机械中占有相当的比重。国内自1984年起生产数控回转头压力机,但在轻量化、性能及稳定性等方面与国外产品仍然存在着很大的差距。其主要原因在于国内的设计理念过多地依赖于感性,一般采用在设备公称压力下校核危险截面的应力或变形并引入适当安全系数来保证机身安全,或引入数学规划法对机身危险截面进行优化设计。上述局部分析方法,缺乏对整体机身的完整认识,并有遗漏潜在危险点的可能。因此作者曾采用优化技术与有限元分析结合的方法,在满足几何及静态性能约束的前提下,通过优化机身各板材厚度及其分布使机身重量最轻,有关研究结果将在另篇论文中公布。但是由于受钢板标准厚度的限制,大量的优化变量均为离散量,而目前对离散约束的优化问题尚缺乏可靠的算法,因而需将该类问题视为连续约束,并在求解后按标准板厚求整处理,影响了优化效果。此外自动循环优化过程,使人们难以对各设计变量的影响产生明确的认识。因此,从计算效率及工程应用角度综合考虑,对空间板系结构的闭式数控回转头压力机机身进行了有限元分析,并且根据构成机身的各板材对机身的影响,给出了机身的优化设计方案。2有限分析2.1主要单元的划分闭式数控回转头压力机机身是由A3钢板焊接而成的一个空间板系结构,如图1。其中前后板上部开有轴承孔,前后板之间焊有若干连接筋板。设备工作时打击力向上通过轴承孔传给机身,向下通过回转头传给工作台。材料的弹性模量E=2.1×1011Pa,泊松比PO=0.3,密度ρ=7860kg/m3。设备公称压力P=400kN,25mm步距的最大冲孔速度v=200次/min。有限元建模时采用四边型板壳元,单元大小以板材短边长度的1/8为参考,共划分4343个单元,4453个节点。约束机身左侧两个地脚的x、y、z自由度及右侧地脚y、z自由度。将400kN的公称压力向上施加于两个轴承孔上部,其中轴承孔顶部节点受力最大,为55074N、轴承孔左右两侧节点受力为0,轴承孔上部各节点的受力状况呈二次曲线分布;400kN的公称压力向下作用于两个轴承孔下的工作台上,作用面积根据机床的实际状况取为A=0.086m2。假定钢板为理想焊接,对所有单元赋于统一的材料特性。2.2前后板弯曲应力分析采用大型有限元分析软件包MARC,对上述模型进行了应力应变分析,结果表明:(1)前后板在轴承孔的上方均出现局部高应力区,其值分别为47MPa和33MPa,显然强度指标不会成为机身设计的难点;(2)上横梁顶端及下横梁底端均产生了较大的弯曲应力,最大值分别为24MPa和18MPa;(3)机身四个内圆角处存在明显的应力集中;(4)因轴承孔偏左,左侧立柱通过喉口立板加强,其应力值仅相当于右立柱相应节点的1/3,两立柱应力状态不均匀;(5)最大变形出现在轴承孔偏右处,其中前后板下边缘的最大纵向位移值分别为0.354mm及0.367mm,后板略大;(6)工作台向下弯曲,下梁上端的最大纵向位移量分别为:前板-0.146mm,后板-0.148mm,二者接近;(7)上横梁下端及下横梁上端的纵向位移差作为设备的开口量,前后板开口量的平均值为0.508mm。3梁下边缘处的位移点与百分表的对应关系使滑块处于下死点,将百分表触头垂直地触在被测点上,用手摇泵借液压加载器给滑块加载,测读加载过程中每被测点的变形数据,将图1中轴承孔正下方上横梁下边缘处作为A点,上横梁下边缘最大纵向位移点作为B点。因百分表置于工作台上,显然实测值为被测点相对于工作台的总变形,实测值与计算值的相对误差分别为:A点10.31%,B点7.48%。借助YJD-1型电阻应变仪和P20R-1型电阻预调平衡箱,B点的应力测试值与计算值的相对误差为7.5%。上述误差因素之一在于:实际测试是针对装配好的整机进行的,而分析模型仅针对板系结构的机身而建立。可见,MARC的分析结果具有足够精度。4静态结构优化为了研究构成机身的各钢板对机身的贡献,首先对各单一参数的影响进行了综合分析。4.1喉口立板厚度对左立柱生长的影响图1中110mm厚度的喉口立板旨在针对轴承孔偏左而对左立柱进行加强,图2表示了喉口立板厚度对图1中C、D两点相对位移量的影响,可以看出,立板厚度增加仅使左立柱伸长量减少0.02mm,对增强机身刚度作用非常有限。4.2厚度对机体刚度的影响前后板重量占机身总重量的47%,图3所示为前后板厚度对机身刚度的影响,当前后板厚度由40mm减至20mm时,B点的纵向位移量增加了87%。机身内左上圆角E处的应力值由21MPa增至34MPa。4.3上产品的变形上横梁的弯曲是机身变形的主要因素。为方便起见,将上横梁的两块水平筋板延伸至两边,以床身左右立柱为支撑,单独分析上横梁的变形状况(图4)。将上横梁底板厚度由原设计的60mm减少为20mm时,上横梁的挠度值仅由0.313增加为0.352mm,可见底板厚度的影响较小。为此,底板厚度取20mm,对原始结构顶部加上盖板,并调整盖板厚度,分析结果如图5。4.4地脚间距的影响将工作台下方部分称为下横梁,图6是左右地脚之间的距离对下横梁挠度的影响规律。可以看出,为减少下横梁的挠度,应在保证设备稳定性的同时,减小地脚之间的距离。5前后板厚度和压力由上述分析知,构成机身的板的位置及其厚度对机身刚度都有不同程度的影响。通过综合考虑各因素的影响,对30种不同尺寸组合进行了分析,其中几种的分析结果见表1,结构1为原结构,‘原’指板料尺寸与原结构相同。(1)结构4将喉口立板的厚度由110mm减为40mm,E及G点的应力有所增加,但均在安全值之内。开口量的变化主要由上横梁的弯曲引起,约占总变形的4/5。(2)观察方案6、9、10,后者的机身开口量增加62%。经计算知,10号结构轴承上端最大应力为102.1MPa,比原结构增加97.6%。减小前后板厚度,在减轻重量的同时也减小了刚度和强度。此时应特别解决轴承孔附近的应力集中问题。(3)比较4、5两种结构,重量分别减少5.77%和4.79%,但结构5的开口量与原结构相同,比结构4开口量小,这说明加入顶板以后增强了上横梁的抗弯刚度,结构5的应变和应力状况都与结构1相似,但总重量减轻了4.79%,从极端保守角度,也是可以选择的方案。(4)结构14的重量减轻了23%,可以通过加上盖板来降低上横梁的挠度,以减小设备的开口量。综上,在工程实际中,按方案14稍加修改即可进行机身的优化设计。6实际测试结果(1)运用MARC软件包对空间板系结构的闭式数控回转头压力机机身进行了有限元分析,并对机身强