蔡賢浩

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541000）

快速冷壓定型機(jī)CAE分析

蔡賢浩

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541000）

隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)品自主研發(fā)能力的快速發(fā)展，工業(yè)CAE技術(shù)作為產(chǎn)品開發(fā)中的核心技術(shù)之一，已經(jīng)引起了各大廠商足夠的重視，掌握和利用好工業(yè)CAE技術(shù)對(duì)企業(yè)降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要的意義。尤其對(duì)于部分行業(yè)，需要高效的產(chǎn)能，傳統(tǒng)的產(chǎn)品試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本大，通過CAE仿真技術(shù)，可大大縮短產(chǎn)品周期和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。快速冷壓定型機(jī)框架作為定型機(jī)主要承載結(jié)構(gòu)，需提供冷壓承載力，并且在多種工況下運(yùn)行。因此，冷壓定型機(jī)框架結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足其可靠性。故需要針對(duì)冷壓定型機(jī)做CAE分析校核其結(jié)構(gòu)是否能在復(fù)雜運(yùn)行工況下，提供相應(yīng)冷壓承載力。

冷壓定型機(jī)；CAE仿真技術(shù)；框架結(jié)構(gòu)

文章基于Solidwork對(duì)快速冷壓定型機(jī)進(jìn)行建模，進(jìn)一步使用Hypermesh完成幾何前處理，最后在通用有限元分析軟件Ansys中對(duì)冷壓機(jī)進(jìn)行了仿真分析，主要分析了定型機(jī)在冷壓工況其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度，冷壓機(jī)前十階約束模態(tài)、以及該工況下，其線性屈曲特征值。

1 幾何模型

冷壓定型機(jī)框架采用20#熱軋槽鋼，連接處加強(qiáng)鋼板材質(zhì)為Q235，2D圖紙由設(shè)計(jì)方所提供，根據(jù)2D圖紙建立3D集合模型，坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，X向?yàn)榭蚣荛L(zhǎng)度方向，Y向?yàn)榭蚣軐挾确较?，Z向?yàn)榭蚣茇Q直方向，如圖1所示。冷壓定型機(jī)主要由主機(jī)架、立柱、上下縱梁、加強(qiáng)梁、油壓安裝板、臺(tái)面板及正面角板、頂面角板、側(cè)面角板等部件組成。

圖1 快速冷壓定型機(jī)三維模型

2 網(wǎng)格劃分及屬性

考慮到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不宜用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，故采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Ansys中單元類型主要有：桿單元、梁?jiǎn)卧⒐艿绬卧?shí)體單元、殼單元、表面效應(yīng)單元等。分別根據(jù)分析類型的不同，使用的單元類型也有所差異，本次分析類型僅是結(jié)構(gòu)靜力分析，采用實(shí)體單元?jiǎng)澐?，故使用的單元類型是?shí)體結(jié)構(gòu)分析單元Solid185，如圖2、圖3所示。其次，框架結(jié)構(gòu)中螺栓連接的處理，采用RBE2剛性單元模擬。有限元模型共293004個(gè)單元，99315個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 快速冷壓定型機(jī)網(wǎng)格模型

圖3 局部網(wǎng)格示意圖

3 材料參數(shù)

快速冷壓定型機(jī)構(gòu)由20#熱軋槽鋼框架及連接板組成，材料均為Q235，其相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 快速冷壓定型機(jī)材料參數(shù)

4 約束與載荷

快速冷壓定型機(jī)主要施加向下壓力的元件為2件缸徑150mm柱塞缸，預(yù)計(jì)冷壓工況下總壓力10T，將該壓力均布在承壓板上，在該工況下，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求，其載荷、約束如表2所示及圖4、圖5所示。

表2 快速冷壓定型機(jī)工況及載荷表

圖4 約束施加示意圖

圖5 載荷施加示意圖

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度

（1）總質(zhì)量。根據(jù)網(wǎng)格模型，求出冷壓定型機(jī)總質(zhì)量（包含主要結(jié)構(gòu)件），其總質(zhì)量為1.684t。

（2）應(yīng)力分布?？焖倮鋲憾ㄐ蜋C(jī)在冷壓總壓力10T作用下，應(yīng)力最大值為76.3MPa，如圖6所示，出現(xiàn)在承壓板螺栓連接處，如圖7所示。

（3）形變分布。快速冷壓定型機(jī)在冷壓總壓力10T作用下，形變最大值為1.2mm，如圖8所示，出現(xiàn)在承壓板螺栓邊緣處，如圖9所示。

圖6 快速冷壓定型機(jī)應(yīng)力分布

圖7 快速冷壓定型機(jī)承壓板應(yīng)力分布

圖8 快速冷壓定型機(jī)整體形變分布

圖9 快速冷壓定型機(jī)承壓板形變分布

5.2 模態(tài)分析

（1）模態(tài)定義。模態(tài)分析的過程如果是由有限元計(jì)算的方法完成的，則稱為計(jì)算模態(tài)分析；如果是通過試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過參數(shù)識(shí)別來獲得模態(tài)參數(shù)的，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備的故障診斷的重要方法。

自由模態(tài)分析是模態(tài)分析的一個(gè)重要組成部分，它不考慮任何約束的影響，得到的是結(jié)構(gòu)本身的固有特性。通過自由模態(tài)的分析，可以對(duì)結(jié)構(gòu)本身的尺寸、材料、振動(dòng)情況等有大概的了解。在不同約束狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)會(huì)發(fā)生改變，因此在施加約束之后的模態(tài)分析能夠反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)情況，研究約束對(duì)模態(tài)的影響。故本次分析中采用約束模型方式，更真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況。

（2）模態(tài)分析。提取快速冷壓定型機(jī)前十階模態(tài)，Ansys結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 快速冷壓定型機(jī)前十階模態(tài)

從模態(tài)分析結(jié)果可以看到，一階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)上半段振動(dòng)較大，二階、七階及八階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)油壓安裝版處振動(dòng)較大，三階及六階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)頂角處振動(dòng)較大，四階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)下半段振動(dòng)較大，五階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)臺(tái)面板處振動(dòng)較大，九階及十階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)上橫梁處振動(dòng)較大。

5.3 屈曲分析

（1）屈曲定義。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷，屈曲分析包括：線性屈曲和非線性屈曲分析。線彈性失穩(wěn)分析又稱特征值屈曲分析；線性屈曲分析可以考慮固定的預(yù)載荷，也可使用慣性釋放；非線性屈曲分析包括幾何非線性失穩(wěn)分析，彈塑性失穩(wěn)分析，非線性后屈曲(Snap-through)分析。

本次仿真采用線性屈曲分析，分析快速冷壓定型機(jī)載荷因子及線性失穩(wěn)載荷值。且考慮冷壓定型機(jī)自身載荷及約束作用。

（2）線性屈曲分析。屈曲分析結(jié)果如圖10所示，可以看到屈曲載荷因子109.13，即冷壓定型機(jī)結(jié)構(gòu)可提供1091.3噸承載力才會(huì)發(fā)生屈曲。

圖10 屈曲載荷因子

6 結(jié)語

根據(jù)本次快速冷壓定型機(jī)的所有計(jì)算工作，可得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)網(wǎng)格模型，求出冷壓定型機(jī)總質(zhì)量（包含主要結(jié)構(gòu)件），其總質(zhì)量為1.684t。

（2）快速冷壓定型機(jī)在冷壓總壓力10T作用下，應(yīng)力最大值為76.3MPa，出現(xiàn)在承壓板螺栓連接處，形變最大值為1.2mm，出現(xiàn)在承壓板螺栓邊緣處?？焖倮鋲憾ㄐ蜋C(jī)材料為Q235，屈服應(yīng)力,235MPa，故該工況下，快速冷壓定型機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，且安全系數(shù)為3.1。

（3）從模態(tài)分析結(jié)果可以看到，一階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)上半段振動(dòng)較大，二階、七階及八階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)油壓安裝版處振動(dòng)較大，三階及六階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)頂角處振動(dòng)較大，四階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)下半段振動(dòng)較大，五階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)臺(tái)面板處振動(dòng)較大，九階及十階模態(tài)下，冷壓定型機(jī)上橫梁處振動(dòng)較大。

（4）線性屈曲分析結(jié)果，可以得到冷壓定型機(jī)在10噸冷壓工況下，屈曲載荷因子109.13，即冷壓定型機(jī)結(jié)構(gòu)可提供1091.3噸承載力才會(huì)發(fā)生屈曲。

［1］李奉香.用ANSYS軟件進(jìn)行熱應(yīng)力分析［J］.造船技術(shù)，2005，（3）：43-46.

［2］劉瑩，胡育勇，等.基于ANSYS汽車盤式制動(dòng)器溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力數(shù)值模擬［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2013，9（3）：276-280.

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蔡賢浩（1986-），男，廣西柳州人，大學(xué)本科，講師，主要研究方向：大學(xué)生思想政治教育。