（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071）

0 引言

目前，折彎?rùn)C(jī)作為板材加工工具，在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)機(jī)器的性能與成本影響較大，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性直接影響成型工件的質(zhì)量[1～3]。而折彎?rùn)C(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)是拉桿與工作臺(tái)，對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和剛度要求較高[4]。傳統(tǒng)的折彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)方法有很大的局限性，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高[5]。

本文中的這款龍門式折彎?rùn)C(jī)，利用有限元分析方法對(duì)其進(jìn)行了分析，并通過分析結(jié)果對(duì)折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化，使折彎?rùn)C(jī)質(zhì)量顯著減小。

1 折彎?rùn)C(jī)模型設(shè)計(jì)與有限元分析

1.1 折彎?rùn)C(jī)工作原理

鋼板進(jìn)入工作臺(tái)指定位置后，上壓板會(huì)在液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下向下擠壓鋼板。由于工作臺(tái)上部的底模呈凹形，鋼板會(huì)在柱塞缸給定載荷下完成折彎成型的過程，鋼板成型后上壓板在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下回到初始位置。工作時(shí)，鋼板會(huì)對(duì)折彎?rùn)C(jī)機(jī)身產(chǎn)生較大的反作用力，反作用力在機(jī)身的上部分均勻的分布在十個(gè)柱塞缸上，在油缸和箱體焊件間產(chǎn)生較大壓強(qiáng)，而在機(jī)身下部分主要集中分布在工作臺(tái)上。柱塞缸剖視圖如圖1(a)所示，折彎?rùn)C(jī)三維簡(jiǎn)化模型示意圖如圖1(b)所示，工作臺(tái)示意圖如圖1(c)所示。

1.2 折彎?rùn)C(jī)有限元模型分析

為了將折彎?rùn)C(jī)三維模型準(zhǔn)確導(dǎo)入Ansys-Workbench中進(jìn)行有限元分析，對(duì)SolidWorks與Ansys-Workbench進(jìn)行模型關(guān)聯(lián)操作。這樣既保持了模型的準(zhǔn)確度，又保證了相關(guān)分析的實(shí)時(shí)性。將折彎?rùn)C(jī)模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Ansys-Workbench，對(duì)其材料進(jìn)行定義及網(wǎng)格劃分。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，折彎?rùn)C(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)材料為Q235，拉桿、墊圈與螺母材料為42CrMo，折彎?rùn)C(jī)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料基本參數(shù)

圖1 折彎?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)三維示意圖

由于折彎?rùn)C(jī)體積及各組成所受載荷都較大，折彎?rùn)C(jī)網(wǎng)格劃分遵循均勻、應(yīng)力區(qū)粗劃、應(yīng)力梯度細(xì)化的原則[6,7]。Ansys-Workbench提供了功能全面的網(wǎng)格劃分工具和多種網(wǎng)格劃分方法。良好的網(wǎng)格劃分能夠快捷高效的獲得高質(zhì)量的有限元分析結(jié)果，但網(wǎng)格數(shù)量的增加不會(huì)增大有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，但會(huì)加大計(jì)算機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，造成計(jì)算時(shí)間大幅度增加。針對(duì)以上問題，本文采用四面體網(wǎng)格劃分的方法對(duì)折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8,9]。網(wǎng)格劃分完成后的單元數(shù)為113684，節(jié)點(diǎn)數(shù)為513903。

1.3 折彎?rùn)C(jī)工作載荷及約束條件設(shè)定

折彎?rùn)C(jī)的網(wǎng)格劃分工作完成后，根據(jù)折彎?rùn)C(jī)的實(shí)際工作情況，對(duì)其施加載荷及約束條件，根據(jù)油缸參數(shù)確定總載荷為80000kN。

已知壓強(qiáng)計(jì)算公式為：

根據(jù)折彎?rùn)C(jī)特征可得液壓缸壓強(qiáng)P1、凸臺(tái)壓強(qiáng)P2、壓板壓強(qiáng)P3、工作臺(tái)壓強(qiáng)P4分別為 ：

一般情況下，擰緊后的螺紋連接件在預(yù)緊力作用緊力不得超過其材料屈服極限的80%。根據(jù)拉桿預(yù)緊力公式[10]：

σs：螺栓材料屈服極限，單位：MPa；

A1：螺栓危險(xiǎn)截面面積；

A1≈（πd12/4）mm2。

經(jīng)多次分析求解驗(yàn)證，預(yù)緊力系數(shù)在0.01～0.05之間取值時(shí)，折彎?rùn)C(jī)機(jī)身的預(yù)緊應(yīng)力符合其材料要求。拉桿直徑d=200mm，取預(yù)緊力系數(shù)為0.01時(shí)算得拉桿預(yù)緊力約為292000N。通過Workbench15.0中相應(yīng)模塊進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，在Laods模塊設(shè)置相應(yīng)結(jié)構(gòu)的壓強(qiáng)與預(yù)緊力，通過Supports選項(xiàng)對(duì)折彎?rùn)C(jī)底面設(shè)置Fixed Supports約束。

1.4 折彎?rùn)C(jī)靜力學(xué)分析

經(jīng)過求解，得出了折彎?rùn)C(jī)總體變形、應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D，如圖2所示。

圖2 折彎?rùn)C(jī)分析云圖

從分析結(jié)果看出折彎?rùn)C(jī)壓板部分變形量最大，為5.043mm。最大應(yīng)力集中在工作臺(tái)上，應(yīng)力最大值為209.65Mpa。符合實(shí)際工況要求，可進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析。

2 折彎?rùn)C(jī)輕量化設(shè)計(jì)

2.1 輕量化數(shù)學(xué)模型

根據(jù)分析云圖顯示，折彎?rùn)C(jī)的主要變形部件是壓板，最大應(yīng)力集中在工作臺(tái)與底座的接觸處，且工作臺(tái)的變形較小。而工作臺(tái)中的側(cè)板、頂板及支撐板對(duì)應(yīng)力影響較大，將工作臺(tái)的兩個(gè)側(cè)板、上頂板及底部支撐板的厚度設(shè)為參數(shù)，將折彎?rùn)C(jī)的整體變形及最大應(yīng)力設(shè)為約束條件，將折彎?rùn)C(jī)的最小整體質(zhì)量設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。其數(shù)學(xué)模型可表示為：

2.2 響應(yīng)面分析

為實(shí)現(xiàn)SolidWorks與Workbench之間的無縫連接，需要將相應(yīng)結(jié)構(gòu)尺寸變量設(shè)置為軟件識(shí)別形式，工作臺(tái)三個(gè)優(yōu)化變量的尺寸表達(dá)形式如表2所示。

表2 變量表達(dá)形式

生成有限元模型后，基于響應(yīng)面優(yōu)化方法（Response Surface Optimization）生成設(shè)計(jì)點(diǎn)，在運(yùn)算完成后在“Design of Experiments Type”欄中選擇中心復(fù)合設(shè)計(jì)（Central Composite Design）選項(xiàng)，生成30組設(shè)計(jì)點(diǎn)，計(jì)算完成后的設(shè)計(jì)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)結(jié)果

在Response Surface項(xiàng)中選擇Response欄，在Mode欄中選擇3D，可以生成相關(guān)參數(shù)的三維關(guān)系曲面圖。在Response Surface Type欄中選擇克里格法（Kriging）選項(xiàng)，更新后生成折彎?rùn)C(jī)整體變形、側(cè)板和頂板的三維關(guān)系曲面圖如圖4所示。

圖4 三維關(guān)系曲面圖

點(diǎn)擊Local Sensitivity選項(xiàng)，生成折彎?rùn)C(jī)整體變形、應(yīng)力及整體質(zhì)量的靈敏度分析圖如圖5所示。

圖5 靈敏度分析圖

由圖可知折彎?rùn)C(jī)側(cè)板厚度相對(duì)于其他兩個(gè)參數(shù)對(duì)折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力影響較大，并且與應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；頂板厚度與折彎?rùn)C(jī)應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，支撐板厚底則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，工作臺(tái)的側(cè)板厚度比頂板和底部支撐板的厚度對(duì)折彎?rùn)C(jī)的質(zhì)量影響更大。

在項(xiàng)目管理窗口雙擊Optimization欄，根據(jù)材料的實(shí)際規(guī)范設(shè)定優(yōu)化條件如表3所示。

表3 參數(shù)范圍

在Objective and Constraints選項(xiàng)中分別將重量、最大應(yīng)力和最大整體變形的類型設(shè)置為Minimize作為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)算后點(diǎn)擊Candidate Points選項(xiàng)生成三個(gè)候選點(diǎn)，對(duì)比結(jié)果將第二個(gè)候選點(diǎn)選為設(shè)計(jì)點(diǎn)，運(yùn)算完成后的參數(shù)尺寸如表4所示。

表4 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

此時(shí)得到的折彎?rùn)C(jī)的變形、應(yīng)力及應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示?？紤]到材料的實(shí)際規(guī)范，對(duì)優(yōu)化后得到的參數(shù)尺寸進(jìn)行圓整，圓整后尺寸與初始尺寸對(duì)比如表5所示。

表5 參數(shù)尺寸優(yōu)化前后對(duì)比

按照?qǐng)A整優(yōu)化后的尺寸，重新對(duì)折彎?rùn)C(jī)模型進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化前后對(duì)比情況如表6所示。

表6 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

2.3 輕量化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

分析結(jié)果顯示折彎?rùn)C(jī)最大應(yīng)力滿足材料屈服強(qiáng)度要求，優(yōu)化后的折彎?rùn)C(jī)整體變形量基本不變，應(yīng)力減小2.34MPa，安全系數(shù)有一定減小，重量減輕16748.2kg，減輕比例達(dá)14.18%，使得機(jī)身結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，符合設(shè)計(jì)與工作要求，輕量化效果顯著。

3 結(jié)論

本文對(duì)一款龍門式80000kN折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過分析結(jié)果運(yùn)用SolidWorks對(duì)折彎?rùn)C(jī)工作臺(tái)側(cè)板、頂板和支撐板的厚度進(jìn)行了參數(shù)化處理，并且與ANSYS Workbench進(jìn)行無縫連接，建立了有限元模型，基于響應(yīng)面優(yōu)化分析對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化處理。最后得到30組優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)，結(jié)果使折彎?rùn)C(jī)在滿足設(shè)計(jì)要求與材料要求前提下重量減輕16748.2kg，使企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，并且對(duì)類似機(jī)床的輕量化設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

圖6 折彎?rùn)C(jī)優(yōu)化云圖