折弯机建模与仿真分析

折弯机建模与仿真分析

1折弯机在设计中的应用经过一段时间以来，曲线设计基本上遵循了经验和方法。经验设计方法的局限在于为了满足工作需要,常采用比较保守的数据,因此,折弯机通常体积庞大,材料浪费严重。为此,对折弯机进行优化设计十分必要。折弯机滑块(上横梁)既要有足够的强度和刚度,又希望自重轻,此外,折弯机构件在几何形状、外载荷作用和约束条件等方面比较复杂。所以,在折弯机的结构设计中,仅依靠传统的材料力学和理论力学方法已难以对滑块的各区域提供准确的分析,不能满足结构设计的要求。本文为了了解折弯机滑块变形大小和应力分布,采用COSMOSWORKS分析软件对滑块进行了三维仿真分析,描述滑块的变形和应力分布状态,找出了其薄弱环节,再结合滑块的特点对滑块进行结构优化。2元模型的构建2.1折弯机滑块有限元分析带挠度补偿机构的数控折弯机主要由床身、滑块、前后立板以及挠度补偿机构、后挡料、液压系统、模具、托料机构、安全防护装置、电气系统等组成。上横梁(滑块)与两油缸组件中活塞杆相连,并经油缸底板支承在左右墙板上,由主、副导轨对滑块的上下移动提供导向。下横梁经垫块与机体过盈配合,下横梁前后立板分置其两侧,中部安装数个隆起油缸用以补偿下横梁的变形。由于有限元分析主要分析折弯机机架在折弯力作用下的变形以及下横梁补偿机构的作用,对不影响折弯机刚性的构件可以不作考虑,分析只涉及床身、滑块、前后立板以及挠度补偿机构,这里主要对折弯机滑块进行有限元分析和优化设计。简化后的折弯机模型如图1所示。2.2滑块与操作机构的连接折弯机安装时,机架底面通过4个地脚螺栓与基础相连,约束了机架在三个方向的位移与转动,因此,在CosmosWorks中对4个地脚螺栓施加固定约束,模拟折弯机机架真实的固定状况。滑块经吊紧机构与油缸中的活塞杆连接,油缸通过螺栓固定在油缸底座上。当滑块行进到折弯下死点时,油缸中压力保持恒定并持续一段时间,此时,活塞杆、滑块、油缸以及机架之间不再产生相对的滑移,可以把滑块与机架看作是一个整体,在有限元分析中将其接触类型定义为结合。PBB-400/5100数控板料折弯机公称折弯力为4000kN,分析折弯机在满负荷作用下机架、滑块、前后立板以及中立板的应力分布以及变形情况,在折弯机滑块下端面与中立板上端面上分别施加4000kN向上、向下的压力,即认为滑块受到一个向上的压力。3最大应力和最大挠曲变形图2为折弯力作用下滑块的应力分布与变形图,从图2中可以看出滑块A截面上最大应力σmax=26.4MPa,最大的应力出现在B截面上,其值为444MPa。滑块的最大的挠曲变形产生在其中点处,最大的挠曲变形量为0.735mm。采用经典弹性力学将滑块简化为矩形梁的方法计算得到的滑块最大挠曲变形量为0.356mm,有限元分析得到的挠度值较理论值大,这是因为在弹性力学分析中将滑块作了太多的简化,尤其是没有考虑安装油缸活塞的矩形孔的影响。4滑块结构优化设计4.1加强筋对挠曲变形的影响试验将滑块结构或尺寸进行修改,重新计算其应力分布与变形,以研究滑块结构的优化方法。(1)方法一将滑块厚度加厚到110mm,计算可得滑块的应力分布与位移如图3。从图3中可以看出,当加大滑块的厚度后,滑块所受应力有所减小,滑块肩部的最大应力为421MPa,但减小的幅度不大;滑块的最大挠曲变形为0.669mm也有所减小。这一方法虽然会减小滑块的应力与挠曲变形,但会大大的增加滑块的重量,增加制造成本,加大加载过程中的惯性,因而在实际设计中应慎重考虑。(2)方法二在滑块后侧添加加强筋,滑块的应力分布与变形如图4。从图中可以看出,此时滑块肩部的应力集中更加明显,应力值增加到470MPa;但滑块惯性矩有所增加,变形减小,挠曲变形减小,最大的挠曲变形为0.726mm,减小幅度不大。(3)方法三在滑块肩部添加筋板,计算得到滑块的应力分布与变形如图5所示。从图中可以看出,在滑块肩部添加筋板后,滑块肩部处的应力值有较大的减小,最大为428MPa;滑块变形减小,挠曲变形减小,最大的挠曲变形为0.674mm。(4)方法四加大油缸安装孔处滑块壁厚,如图6所示。滑块的应力分布与变形见图7,从图中可以看出,滑块肩部处的应力值减小,最大为414MPa;滑块变形减小,挠曲变形有较大的减小,最大的挠曲变形为0.671mm。综合分析结果,在滑块肩部添加筋板与加大油缸安装孔处滑块壁厚,对滑块所受应力以及变形有较大改善,有利于减小滑块的应力以及挠曲变形。从图中可以看出,在滑块肩部添加筋板与加大油缸安装孔处滑块壁厚后,滑块肩部处的应力值减小明显,最大应力减小为383MPa;滑块变形减小,挠曲变形有较大的减小,最大的挠曲变形为0.583mm。由此可见,在滑块肩部添加筋板的同时加大油缸安装孔处滑块壁厚,滑块的应力及挠曲变形明显改善。4.3基于载荷作用的滑块应力为了进一步分析外加负载的变化对滑块变形的影响,下面对负载大小不变,而折弯工件长度减小,即载荷作用长度减小这一情况进行分析。假设负载大小还是为额定折弯力,即4000kN,载荷长度为2m,重新设定边界条件,求解可得滑块的应力分布、位移为图9所示。从图中可以看出,滑块应力最大值为589MPa,较载荷作用在滑块全长时,最大应力有所增加,滑块应力集中更加明显;滑块最大的挠曲变形为1.312mm,滑块挠曲变形增大,挠曲变形曲线更陡峭。5滑块的有限元分析折弯力作用下滑块与活塞杆接触的部位会产生较大的应力,而滑块中间部分的应力较小。对滑块结构进行优化,在滑块肩部添加筋板的同时加大油缸安装孔处滑块壁厚,为最佳方案,滑块的