空間板系結(jié)構(gòu)閉式壓力機(jī)機(jī)身有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念落后數(shù)款壓力機(jī)是高效、柔性、精的板加工設(shè)備。由于其良好的適應(yīng)性，它在壓力機(jī)中所占比例越來越大。國(guó)內(nèi)自1984年起生產(chǎn)數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī),但在機(jī)床輕量化、工作速度、精度及穩(wěn)定性等方面與國(guó)外產(chǎn)品仍然存在著很大的差距,其重要原因在于國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)理念過多地依賴于感性,并依然停留在局部分析、靜態(tài)設(shè)計(jì)階段,對(duì)于這種高速的板料沖裁設(shè)備,一直缺乏系統(tǒng)完整的靜動(dòng)態(tài)綜合分析。鑒于此,作者針對(duì)閉式數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)機(jī)身,利用MARC軟件包對(duì)其進(jìn)行了有限元分析,并且根據(jù)構(gòu)成機(jī)身的各板材對(duì)機(jī)身受力及變形狀況的影響以及模態(tài)分析結(jié)果,給出了機(jī)身的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。2結(jié)構(gòu)分析2.1主要單元的劃分閉式數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)機(jī)身是由A3鋼板焊接而成的一個(gè)空間板系結(jié)構(gòu),如圖1。其中前板及后板上部均開有軸承孔,前后板之間焊有若干連接筋板。設(shè)備工作時(shí)打擊力向上通過軸承孔傳給機(jī)身,向下通過回轉(zhuǎn)頭傳給工作臺(tái)。材料的彈性模量E=2.1×1011Pa,泊松比ν0=0.3,密度d=7860kg/m3。設(shè)備公稱壓力P=400kN,25mm步距的最大沖孔速度v=200次/min。有限元建模時(shí)采用四邊形板殼元,單元大小以板材短邊長(zhǎng)度的1/8為參考,共劃分4343個(gè)單元,4453個(gè)節(jié)點(diǎn)。約束機(jī)身左側(cè)兩個(gè)地腳處相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z自由度及右側(cè)地腳處節(jié)點(diǎn)的Y、Z自由度。將400kN的公稱壓力向上施加于兩個(gè)軸承孔上部,其中軸承孔頂部節(jié)點(diǎn)受力最大,為55074N,軸承孔左右兩側(cè)節(jié)點(diǎn)受力為0,軸承孔上部各節(jié)點(diǎn)的受力狀況呈二次曲線分布:400kN的公稱壓力向下作用于兩個(gè)軸承孔正下方的工作臺(tái)上,作用面積根據(jù)機(jī)床的實(shí)際狀況取為A=0.086m2。假定鋼板為理想焊接,對(duì)所有單元賦予統(tǒng)一的材料特性。2.2應(yīng)力狀態(tài)變化圖2a、b分別為機(jī)身縱向變形及機(jī)身最大主應(yīng)力的有限元求解結(jié)果,可以看出:機(jī)身前板及后板的軸承孔上方出現(xiàn)大小分別為47MPa和33MPa的局部高應(yīng)力區(qū),同時(shí)機(jī)身4個(gè)內(nèi)圓角處也存在明顯的應(yīng)力集中,但強(qiáng)度指標(biāo)不會(huì)成為機(jī)身設(shè)計(jì)的難點(diǎn);上橫梁頂端及下橫梁底端均產(chǎn)生了較大的彎曲應(yīng)力,最大值分別為24MPa和18MPa;因軸承孔偏左,左側(cè)立柱通過喉口立板加強(qiáng),其應(yīng)力值僅相當(dāng)于右立柱相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的1/3,兩立柱應(yīng)力狀態(tài)不均勻;最大變形出現(xiàn)在軸承孔偏右處,其中前后板下邊緣的最大縱向位移值分別為0.354mm及0.367mm;工作臺(tái)向下彎曲,下梁上端前后板的最大縱向位移量分別為-0.146mm和-0.148mm,二者接近;上橫梁下端及下橫梁上端的縱向位移差作為設(shè)備的開口量,前后板開口量的平均值為0.508mm。為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性,使壓力機(jī)的滑塊處于下死點(diǎn),將百分表觸頭垂直地觸在被測(cè)點(diǎn)上,用手搖泵借液壓加載器給滑塊加載,測(cè)讀加載過程中每個(gè)被測(cè)點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。因百分表置于工作臺(tái)上,顯然實(shí)測(cè)值為被測(cè)點(diǎn)相對(duì)于工作臺(tái)的總變形。圖1中A點(diǎn)及B點(diǎn)的總變形量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差分別為10.31%及7.48%。借助YJD-1型電阻應(yīng)變儀和P20R-1型電阻預(yù)調(diào)平衡箱,B點(diǎn)的應(yīng)力測(cè)試值與計(jì)算值的相對(duì)誤差為7.5%。其誤差原因在于,分析模型僅針對(duì)板系結(jié)構(gòu)的機(jī)身而建立,而實(shí)際測(cè)試是針對(duì)裝配好的整機(jī)進(jìn)行的。因此,有限元分析結(jié)果具有足夠的可信度。2.3機(jī)體上下料振動(dòng)型圖3a、b是采用Lanczos方法求得的機(jī)身的前四階模態(tài)。其中,頻率f=29.77Hz的一階振型中,機(jī)身左立柱和工作臺(tái)基本不動(dòng),機(jī)身右上角前后晃動(dòng)該振型引起上下回轉(zhuǎn)頭的偏心,使凸凹模間隙不均勻,影響沖裁質(zhì)量并增大模具磨損。此振型作為一階振型出現(xiàn),說明機(jī)身左右立柱的剛度存在很大差別,右側(cè)剛度較弱;f=61.65Hz的二階振型是以通過軸承孔的垂直中心線為軸線的機(jī)身上橫梁的前后扭轉(zhuǎn)變形。此振型使立柱與工作臺(tái)連接處的應(yīng)力增大,容易引起疲勞破壞,同時(shí)上下回轉(zhuǎn)頭前后錯(cuò)位。扭轉(zhuǎn)振型使滑塊與導(dǎo)軌間隙不均勻,增大了滑塊磨損,降低其導(dǎo)向精度,影響了設(shè)備的壽命;對(duì)于f=87.33Hz的第三階振型,機(jī)身整體基本不動(dòng),機(jī)身兩側(cè)、4個(gè)角前后振動(dòng)。這些局部振型的大量出現(xiàn),說明存在局部剛度較弱的情況;f=88.91Hz的第四階振型中,機(jī)身上橫梁左右振動(dòng),同時(shí)右側(cè)翼板前后振動(dòng)。此振型引起上下回轉(zhuǎn)頭左右方向錯(cuò)位,其負(fù)面影響與第一階振型相似,機(jī)身的左右振動(dòng)同時(shí)影響工作臺(tái)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度,進(jìn)而降低坯料的定位精度。3優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1增加機(jī)體剛度為了研究構(gòu)成機(jī)身的各鋼板對(duì)機(jī)身的貢獻(xiàn),首先對(duì)各參數(shù)的單一作用進(jìn)行了系統(tǒng)分析。圖4表示了喉口立板厚度對(duì)圖1中C、D兩點(diǎn)相對(duì)位移量的影響可以看出,立板厚度增加僅使左立柱伸長(zhǎng)量減少0.02mm,對(duì)增強(qiáng)機(jī)身剛度作用非常有限。機(jī)身前板及后板重量占機(jī)身總重量的47%。圖5表示了前后板厚度對(duì)機(jī)身剛度的影響,當(dāng)前后板厚度由40mm減至20mm時(shí),B點(diǎn)的縱向位移量增加了87%。機(jī)身內(nèi)左上圓角E處的應(yīng)力值由21MPa增至34MPa。上橫梁的彎曲是機(jī)身變形的主要因素。為方便,將上橫梁的兩塊水平筋板延伸至兩邊,以床身左右立柱為支撐,單獨(dú)分析上橫梁的變形狀況。由圖6可知,將上橫梁底板厚度由原設(shè)計(jì)的60mm減少為20mm時(shí),上橫梁的撓度值僅由0.313mm增加為0.352mm,可見底板厚度的影響較小。為此,底板厚度取20mm,對(duì)原始結(jié)構(gòu)頂部加上蓋板,并調(diào)整蓋板厚度,分析結(jié)果如圖7。3.2結(jié)構(gòu)的改變結(jié)果由于構(gòu)成機(jī)身的板材的厚度及其位置對(duì)機(jī)身強(qiáng)度剛度都有不同程度的影響。經(jīng)綜合考慮,對(duì)30種不同尺寸組合進(jìn)行了分析,其中8種組合的分析結(jié)果如表1?？梢钥闯?結(jié)構(gòu)4將喉口立板的厚度由110mm減為40mm時(shí),E及G點(diǎn)的應(yīng)力有所增加,但均在安全值之內(nèi),開口量的變化主要由上橫梁的彎曲引起,約占總變形的4/5;觀察方案6、9、10,后者的機(jī)身開口量增加62%,10號(hào)結(jié)構(gòu)軸承上端最大應(yīng)力為102.1MPa,比原結(jié)構(gòu)增加了97.6%。因此,減小前后板厚度,在減輕重量的同時(shí)也減小了剛度和強(qiáng)度;比較4、5兩種結(jié)構(gòu),重量分別減少5.77%和4.79%,但結(jié)構(gòu)5的開口量與原結(jié)構(gòu)相近,且比結(jié)構(gòu)4開口量小,這說明加入蓋板以后增強(qiáng)了上橫梁的抗彎剛度,結(jié)構(gòu)5的應(yīng)變和應(yīng)力狀況都與結(jié)構(gòu)1相似,但總重量減輕了4.79%;結(jié)構(gòu)14的重量減輕了23%,可以通過加上蓋板以降低上橫梁的撓度,以減小設(shè)備的開口量。參照結(jié)構(gòu)6,并將機(jī)身左右側(cè)通過10mm厚的鋼板使機(jī)身形成封閉結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)的第四階振型如圖8所示,其模態(tài)頻率見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn),改進(jìn)結(jié)構(gòu)的第四階振型為上橫梁上下振動(dòng)的整體振型,且其固有頻率提高了31%,而機(jī)身重量卻比原結(jié)構(gòu)降低7%強(qiáng)。4織物結(jié)構(gòu)性能測(cè)試1)運(yùn)用MARC軟件包對(duì)空間板系結(jié)構(gòu)的閉式數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)機(jī)身進(jìn)行了有限元分析,并對(duì)機(jī)身強(qiáng)度和剛度指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試,計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。2)分析結(jié)構(gòu)的前十階模態(tài),發(fā)現(xiàn)