李榮榮 丁建文 曹平祥 徐偉 郭曉磊 張雙保

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (北京林業(yè)大學(xué))

應(yīng)用ANSYS Workbench對大斷面集成材壓機機架的優(yōu)化設(shè)計1)

李榮榮 丁建文 曹平祥 徐偉 郭曉磊 張雙保

(南京林業(yè)大學(xué)，南京，210037) (北京林業(yè)大學(xué))

利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對大斷面集成材壓機機架的單個框架進行了靜力學(xué)分析，以其質(zhì)量與強度指標(biāo)為目標(biāo)，采用ANSYS Gold Driven Optimization模塊進行優(yōu)化設(shè)計，旨在研究框架工作過程中的應(yīng)力、應(yīng)變分布狀態(tài)，降低框架生產(chǎn)成本。研究結(jié)果表明：優(yōu)化前，框架存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大應(yīng)力為156.2 MPa，明顯小于框架的許用應(yīng)力196 MPa，強度富余，有進一步優(yōu)化的空間；水平和垂直方向的最大位移值分別為0.31、0.08mm，剛度可靠。優(yōu)化后，框架的最大等效應(yīng)力與最大位移分別為179.8 MPa與0.44 mm，保證框架強度與剛度的前提下，框架的質(zhì)量降低了26.3%，可顯著降低生產(chǎn)成本。

集成材；壓機；機架；有限元；優(yōu)化

大斷面集成材，是以小徑級木材為原料，通過特種制材手段加工成一定尺寸規(guī)格的六棱柱單體，再經(jīng)縱向接長，定向組坯，以及加壓膠拼等工序制造而成的一種仿蜂巢結(jié)構(gòu)的大斷面集成材[1-3]。大斷面集成材由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及特殊性、膠合面數(shù)量眾多，加壓膠合工藝較常規(guī)膠合木而言相對復(fù)雜。壓機作為加壓膠合工段關(guān)鍵設(shè)備，其精度與壓力分布直接影響大斷面集成材的性能[4-7]。

機架作為膠拼壓機的關(guān)鍵部件，承受著其他零部件安裝的重力以及油缸工作的壓力等，其結(jié)構(gòu)決定了壓機的運行穩(wěn)定性。運行過程中，壓機的機架極易發(fā)生變形，產(chǎn)生裂紋，甚至嚴(yán)重影響到整個加壓膠合過程的正常運行。同時，機架的設(shè)計尺寸也對壓機的制造成本具有一定的影響。因此，機架優(yōu)化設(shè)計研究對于壓機設(shè)計與制造具有關(guān)鍵作用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者分別從壓機的三維設(shè)計、有限元模擬與優(yōu)化設(shè)計等方面對機架進行了優(yōu)化研究。李剛[8]分析了單層熱壓機機架板的受力情況，并且找出了強度相對薄弱的截面以及其破壞發(fā)生的原因，針對機架板的受力情況和應(yīng)力集中情況，對機架板進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化了薄弱界面形狀與尺寸，一定程度上提高了機架板的強度與剛度。程曉紅和盛振湘[9]分析與探討了框架式熱壓機的機架受力情況,給出了一套可以直接計算機架幾何尺寸的簡便方法。經(jīng)過計算得出機架受力集中點，并采用相應(yīng)措施，通過工藝優(yōu)化，降低了機架局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進而提高了機架結(jié)構(gòu)強度。翟宇麗[10]等人對多層熱壓機的機架進行了受力分析，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，并進行了有限元模擬分析。在滿足機架現(xiàn)有強度和剛度的要求下，以減輕機架的質(zhì)量為目標(biāo)，運用目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化方法對機架組進行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，以達(dá)到降低機架質(zhì)量的目的，進而降低機架生產(chǎn)成本。最終優(yōu)化結(jié)果表明：優(yōu)化后的單一框片組質(zhì)量與優(yōu)化前機架質(zhì)量相比，減輕了5%，節(jié)約鋼材大約1 210 kg，獲得了較為理想的框片組結(jié)構(gòu)和尺寸。杜官將與李東波[11]運用APDL建立機架的參數(shù)化有限元模型，在有限元分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計功能，以機架的質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)，對機架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化計算，結(jié)果表明機架運行中的最大等效應(yīng)力比優(yōu)化前降低約26.6%，機架質(zhì)量比優(yōu)化前減輕約9.5%，保證了熱壓機的使用壽命，同時降低了材料成本。王野平等[12]基于ANSYS Workbench對熱壓機框架疲勞強度進行分析及優(yōu)化，模擬結(jié)果顯示：構(gòu)件的疲勞壽命主要受薄弱部位的疲勞狀況影響，應(yīng)力集中部位的疲勞壽命最低?？蚣軆?yōu)化設(shè)計后，應(yīng)力集中現(xiàn)象有了一定的緩解，疲勞壽命有了明顯提高。

大斷面集成材壓機機架作為壓機核心部件，由若干片框架構(gòu)成，其運行穩(wěn)定性直接影響著集成材膠合性能。筆者擬通過ANSYS有限元軟件對大斷面集成材膠拼壓機框架進行靜力學(xué)模擬與優(yōu)化設(shè)計研究，分析框架應(yīng)力、應(yīng)變情況，以其質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)，對框架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。旨在提高壓機結(jié)構(gòu)強度，降低壓機機架總質(zhì)量以達(dá)到降低制造成本的目的。

1 壓機框架有限元分析

1.1 壓機框架結(jié)構(gòu)及受力分析

大斷面集成材壓機整體由機架、水平加壓裝置、垂直加壓裝置、加壓同步機構(gòu)、固定壓板、脫膠裝置以及液壓系統(tǒng)等部件組成(其結(jié)構(gòu)見圖1)。為便于運輸，壓機框架采用拆裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計，各框架之間通過拉桿和定位套筒實現(xiàn)快速安裝。

1.壓機機架；2.水平加壓裝置；3.水平加壓同步機構(gòu)；4.垂直加壓裝置；5.垂直加壓同步機構(gòu)；6.固定壓板。

大斷面集成材壓機的工作周期主要包括：加壓、保壓和卸壓3個工作狀態(tài)。由于加壓、卸壓速度較為平穩(wěn)、緩慢，故模擬分析中不考慮動態(tài)載荷的影響，僅對壓機在保壓狀態(tài)下的受力情景進行靜力學(xué)分析。壓機工作時，每片框形板承受水平和垂直兩個方向的油缸作用力。為簡化計算，將框架所受的壓力均假設(shè)為均布載荷。根據(jù)大斷面集成材膠合工藝要求，最終確定垂直和水平方向上的壓力值分別為2.5×105、1.44×104N。

1.2 壓機框架建模

采用ANSYS Workbench對膠拼壓機框架進行靜力學(xué)分析，框架建模如下：

①定義材料參數(shù)。本設(shè)計采用Q235-B號鋼材，其材料具體參數(shù)見表1。

表1 Q235-B材料屬性

②創(chuàng)建部件。通過ANSYS里面Design Modeler模塊對各部件進行三維建模。首先，繪制草圖，然后輸入拉伸深度，即可生成所需部件三維模型。

③劃分網(wǎng)格。用自動劃分法對模型進行網(wǎng)格劃分，當(dāng)網(wǎng)格劃分進度條消失后會自動生成網(wǎng)格。最終也可根據(jù)網(wǎng)格尺寸大小，進行適度修改以提高計算精度。

④設(shè)置分析步。根據(jù)壓機實際工作情況，采用先水平加壓再垂直加壓。設(shè)計分析步數(shù)為2，水平載荷同時作用2個分析步，垂直載荷僅作用于分析步2。

⑤定義載荷與邊界條件。框架所受載荷根據(jù)集成材膠拼工藝參數(shù)而定，其具體載荷設(shè)定值見文中1.1節(jié)。由于壓機使用過程中，框架通過螺栓固定在地基之上。因此，框架的約束條件設(shè)為底部固定，全約束，限制框架底部的位移與轉(zhuǎn)動。

⑥求解。得到框架運行過程中的應(yīng)力與位移云圖，對框架進行靜力學(xué)分析。

1.3 壓機框架有限元模擬結(jié)果與分析

框架板的材質(zhì)為Q235-B，由表1可知，其屈服強度為235 MPa。在滿載工況條件下，安全系數(shù)一般設(shè)為1.2。因此，該材料的許用應(yīng)力為

經(jīng)過ANSYS分析，得到框架受力作用下的應(yīng)力分布云圖(見圖2)?？梢园l(fā)現(xiàn)：框架板開檔倒角處的最大應(yīng)力為156.2 MPa，明顯小于框架的許用應(yīng)力196 MPa，因此，該膠拼壓機的選材合理，結(jié)構(gòu)安全可靠。但是框架的開檔倒角過渡位置存在一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，會對壓機整體力學(xué)性能產(chǎn)生一些不良影響，需通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低應(yīng)力集中的現(xiàn)象，以提高壓機整體力學(xué)性能。

膠拼壓機框架水平和垂直方向位移云圖如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：框架在水平方向上的最大位移為0.31 mm，在垂直方向上的最大位移為0.08 mm。這些微量位移值都可以滿足壓機正常工作時的剛度需要。綜合壓機框架強度與剛度性能指標(biāo)，現(xiàn)有設(shè)計尺寸偏大，壓機框架強度富余，結(jié)構(gòu)有待進一步優(yōu)化的空間。

圖2 框架應(yīng)力云圖

圖3 框架位移云圖

2 框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 ANSYS優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計是一種探索并制定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)的技術(shù)。其基本原理是通過構(gòu)建相關(guān)優(yōu)化模型，運用各種優(yōu)化方法，通過在滿足設(shè)計要求條件下的迭代計算，求得目標(biāo)函數(shù)的極值，進而得到最優(yōu)化設(shè)計方案。壓機制造過程中，其機械結(jié)構(gòu)的成本約占整機成本的60%～70%[13]，而其主要結(jié)構(gòu)件機架的材料費用在機械結(jié)構(gòu)的成本中所占比例較大。因此，壓機的優(yōu)化設(shè)計中，要求其框架在滿足具有足夠的強度和剛度的前提下，盡量減輕框架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，是優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)之一[14-15]。因此，本研究的優(yōu)化設(shè)計中，以框架結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，將設(shè)計變量定為框架厚度和倒角圓弧半徑，約束條件設(shè)定為框架的靜強度在許可范圍內(nèi)。

2.2 優(yōu)化模型的建立

2.2.1 設(shè)計變量的選取

優(yōu)化模型中，設(shè)計變量即為影響設(shè)計對象的質(zhì)量或結(jié)果的一組可變參數(shù)，其變量數(shù)反應(yīng)了優(yōu)化問題的規(guī)模。設(shè)計變量可以從模型幾何體的尺寸特征、材料的屬性或施加的載荷約束中進行選取。通常設(shè)計變量越少，結(jié)構(gòu)優(yōu)化就越簡單。根據(jù)框架板結(jié)構(gòu)的特點與靜力學(xué)分析結(jié)果，框架板最大應(yīng)力發(fā)生在開檔倒角處，但最大應(yīng)力為許用應(yīng)力的79.6%，框架板結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有一定空間?；诖髷嗝婕刹某叽缫?guī)格、設(shè)備工藝參數(shù)及框架結(jié)構(gòu)等因素的限制，優(yōu)化過程中沒有改變壓機框架板窗口的具體形狀，僅對局部倒角參數(shù)進行優(yōu)化。最終選取了3個能直接影響和控制的獨立參數(shù)作為設(shè)計變量(如圖4)，定義為：

X=[X1+X2X3]T=[R1+h1+T]T。

式中：R1為倒角半徑(mm)；h1為壓機開擋處高度(mm)；T為框架厚度(mm)。

圖4 設(shè)計變量的選取

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)與約束條件的建立

①目標(biāo)函數(shù)的建立。壓機優(yōu)化是指在滿足強度、剛度與幾何尺寸的前提下，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低框架板質(zhì)量與制造成本。

②約束條件的建立。選擇框架強度與剛度指標(biāo)為約束條件，其具體條件如下：最大應(yīng)力σmax≤[σ]，其中,材料許用應(yīng)力[σ]=196 MPa；最大位移量umax≤[u]，其中，材料允許位移值[u]=3 mm[11]。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

2.3.1 靈敏度分析

優(yōu)化模型的靈敏度是指設(shè)計變量對模型輸出結(jié)果的影響程度。本模型的全局靈敏度分析結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明：框架厚度與倒角半徑對模型應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果影響較大，框架的應(yīng)力與應(yīng)變隨著厚度和倒角半徑的增大而減小?？蚣苜|(zhì)量受其厚度影響最大，隨著厚度的增加，框架質(zhì)量顯著增加。靈敏度分析結(jié)果說明，本優(yōu)化過程中所選設(shè)計變量對模型輸出結(jié)果影響顯著，優(yōu)化過程可行。

圖5 靈敏度分析

2.3.2 框架優(yōu)化結(jié)果

通過靈敏度分析以及設(shè)計變量與輸出變量的響應(yīng)關(guān)系等分析，確立了各設(shè)計變量對優(yōu)化模型輸出變量的影響關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)：在保證最大應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的前提下，框架尺寸還有進一步優(yōu)化的空間。在ANSYS optimization模塊中對框架設(shè)計方案進行了初步計算，計算結(jié)果見表2。

表2 ANSYS軟件優(yōu)化方案

軟件優(yōu)化結(jié)果列出了3組優(yōu)化方案，其中方案A的框架質(zhì)量為244.54 kg，較優(yōu)化前質(zhì)量減少了27.5%，且框架的強度與剛度均在材料性能的允許范圍內(nèi)。因此選用了優(yōu)化方案A來指導(dǎo)壓機制造，考慮到機加工的精度要求，在方案A的基礎(chǔ)上對參數(shù)進行了適度調(diào)整，最終優(yōu)化參數(shù)選取如表3所示。

表3 優(yōu)化方案中設(shè)計變量的取值 mm

根據(jù)表3的具體設(shè)計變量參數(shù)，再次建立框架板力學(xué)模型，對框架板進行了靜力學(xué)分析，以驗證優(yōu)化方案的可行性。最終框架板的總位移以及應(yīng)力分布云圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的框架總位移與等效應(yīng)力

經(jīng)過分析，最終優(yōu)化方案的結(jié)果表明：框架最大等效應(yīng)力為179.8 MPa，低于Q235-B材料的許用應(yīng)力，強度滿足設(shè)計要求；框架優(yōu)化后的質(zhì)量為248.8 kg，較初始方案的質(zhì)量(337.4 kg)減少26.3%。框架最大位移僅為0.44 mm，滿足框架的剛度要求。

3 結(jié)論

利用ANSYS Workbench對大斷面集成材膠拼壓機的框架進行了靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。靜力學(xué)結(jié)果表明，框架開檔下部倒角處存在一定應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為156.2 MPa；水平、垂直方向的位移分別是0.31、0.08 mm；最初質(zhì)量為337.4 kg。然后采用Gold driven optimization優(yōu)化設(shè)計方案，對框架的厚度與開檔下部倒角半徑等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后框架最終質(zhì)量減少了26.3%，且框架的最大等效應(yīng)力與總位移均未超過材料的性能允許范圍，保證了框架強度與剛度。經(jīng)過驗證分析得出，優(yōu)化方案切實可行。通過優(yōu)化設(shè)計有效降低了框架的質(zhì)量，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，對膠拼壓機的實際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)作用。

[1] 丁建文，郭曉磊，郝敬東，等.大斷面六棱柱體膠拼壓機的設(shè)計[J].木材工業(yè),2014,28(3):5-8.

[2] 李榮榮，曹平祥，王浩，等.小徑級杉木六棱柱體的制材工藝[J].木材工業(yè),2013,27(5):13-16.

[3] 李榮榮，曹平祥，周兆兵，等.小徑級原木雙側(cè)齊邊圓鋸機的設(shè)計[J].林業(yè)科技開發(fā),2013,27(6):112-114.

[4] KURT R, CIL M. Effects of press pressures on glue line thickness and properties of laminated veneer lumber glued with phenol formaldehyde adhesive[J]. Bioresources,2012,7(4):5346-5354.

[5] LI R, GUO X, EKEVAD M, et al. Investigation of glueline shear strength of pine wood bonded with PVAc by response surface methodology[J]. Bioresources,2015,10(3):562.

[6] YANG P, YUKIYE K. The Effects of wood adherend species and thickness on the pressure distribution along gluelines[J]. Memoirs of the Faculty of Education Kumamoto University Natural Science,1995,44:153-158.

[7] BUSTOS C, MOHAMMAD M, HERNANDEZ R E, et al. Effects of curing time and end pressure on the tensile strength of finger-joined black spruce lumber[J]. Forest Products Journal,2003,53(11):85-89.

[8] 李剛.熱壓機框架板的受力分析及其改進措施[J].木材加工機械,2003，14(5):8-11.

[9] 程曉紅，盛振湘.框架式熱壓機框架的設(shè)計計算[J].林產(chǎn)工業(yè),1999(6):17-19.

[10] 翟宇麗，花軍，關(guān)曉平，等.基于綠色制造多層熱壓機機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的分析[J].木材加工機械,2012，23(6):18-22.

[11] 杜官將，李東波.基于APDL的熱壓機機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2012，34(6):23-26.

[12] 王野平，易淑俊，羅斌，等.基于ANSYS Workbench的熱壓機框架疲勞強度分析及優(yōu)化[J].中國工程機械學(xué)報,2014,12(6):545-549.

[13] 高翔，胡淼.框式熱壓機機架有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計,2009,26(4):62-64.

[14] 謝永智.熱壓機框板靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造,2013(6):49-51.

[15] 吳靜，鄭玉卿，陳志威，等.木板熱壓機整體框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度分析及改進措施[J].現(xiàn)代機械,2011(6):54-57.

OptimizationDesignofPressingMachineFramebyANASYSWorkbenchSoftware

Li Rongrong, Ding Jianwen, Cao Pingxiang, Xu Wei, Guo Xiaolei

(Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China); Zhang Shuangbao(Beijing Forestry University) Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：62-66.

Glulam; Pressing machine; Frame; Finite element methodology; Optimization

1)國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0601104)；中國博士后科學(xué)基金項目(2017M610778)；南京林業(yè)大學(xué)高學(xué)歷人才啟動基金(GXL2016031)；“十二五”國家科技支撐計劃課題(2012BAD24B01)。

李榮榮，男，1990年7月生，南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，講師?，F(xiàn)在北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院林業(yè)工程博士后流動站，從事博士后科學(xué)研究。E-mail：lirr722@163.com。

2017年4月17日。

戴芳天。

TS64

The finite element model for pressing machine frame was created by ANSYS Workbench software. The statics analysis was completed. The gold driven optimization was applied for optimization design processing to reduce the mass of frame. The statics analysis results indicated that some local stress concentration was found in the chamfer position of frame in original design. The maximum stress in the frame was 156.2 MPa, which was lower than permissible stress of the selected material (196 MPa). The displacement in horizontal and vertical direction were 0.31 mm and 0.08 mm, respectively. It satisfied the stiffness requirements of material. The statics analysis results showed that it was possible to optimize the structure size of frame due to the strength surplus. After optimization, the maximum stress and total displacement were 179.8 MPa and 0.44 mm, respectively. The optimized results could be satisfied the stiffness and strength requirements of frame. The mass of frame reduced by 26.3% compare to the value before optimization.