折彎機(jī)建模與仿真分析

1折彎機(jī)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用經(jīng)過一段時(shí)間以來，曲線設(shè)計(jì)基本上遵循了經(jīng)驗(yàn)和方法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的局限在于為了滿足工作需要,常采用比較保守的數(shù)據(jù),因此,折彎機(jī)通常體積龐大,材料浪費(fèi)嚴(yán)重。為此,對折彎機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。折彎機(jī)滑塊(上橫梁)既要有足夠的強(qiáng)度和剛度,又希望自重輕,此外,折彎機(jī)構(gòu)件在幾何形狀、外載荷作用和約束條件等方面比較復(fù)雜。所以,在折彎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,僅依靠傳統(tǒng)的材料力學(xué)和理論力學(xué)方法已難以對滑塊的各區(qū)域提供準(zhǔn)確的分析,不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。本文為了了解折彎機(jī)滑塊變形大小和應(yīng)力分布,采用COSMOSWORKS分析軟件對滑塊進(jìn)行了三維仿真分析,描述滑塊的變形和應(yīng)力分布狀態(tài),找出了其薄弱環(huán)節(jié),再結(jié)合滑塊的特點(diǎn)對滑塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2元模型的構(gòu)建2.1折彎機(jī)滑塊有限元分析帶撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的數(shù)控折彎機(jī)主要由床身、滑塊、前后立板以及撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、后擋料、液壓系統(tǒng)、模具、托料機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)裝置、電氣系統(tǒng)等組成。上橫梁(滑塊)與兩油缸組件中活塞桿相連,并經(jīng)油缸底板支承在左右墻板上,由主、副導(dǎo)軌對滑塊的上下移動提供導(dǎo)向。下橫梁經(jīng)墊塊與機(jī)體過盈配合,下橫梁前后立板分置其兩側(cè),中部安裝數(shù)個隆起油缸用以補(bǔ)償下橫梁的變形。由于有限元分析主要分析折彎機(jī)機(jī)架在折彎力作用下的變形以及下橫梁補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的作用,對不影響折彎機(jī)剛性的構(gòu)件可以不作考慮,分析只涉及床身、滑塊、前后立板以及撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu),這里主要對折彎機(jī)滑塊進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。簡化后的折彎機(jī)模型如圖1所示。2.2滑塊與操作機(jī)構(gòu)的連接折彎機(jī)安裝時(shí),機(jī)架底面通過4個地腳螺栓與基礎(chǔ)相連,約束了機(jī)架在三個方向的位移與轉(zhuǎn)動,因此,在CosmosWorks中對4個地腳螺栓施加固定約束,模擬折彎機(jī)機(jī)架真實(shí)的固定狀況?；瑝K經(jīng)吊緊機(jī)構(gòu)與油缸中的活塞桿連接,油缸通過螺栓固定在油缸底座上。當(dāng)滑塊行進(jìn)到折彎下死點(diǎn)時(shí),油缸中壓力保持恒定并持續(xù)一段時(shí)間,此時(shí),活塞桿、滑塊、油缸以及機(jī)架之間不再產(chǎn)生相對的滑移,可以把滑塊與機(jī)架看作是一個整體,在有限元分析中將其接觸類型定義為結(jié)合。PBB-400/5100數(shù)控板料折彎機(jī)公稱折彎力為4000kN,分析折彎機(jī)在滿負(fù)荷作用下機(jī)架、滑塊、前后立板以及中立板的應(yīng)力分布以及變形情況,在折彎機(jī)滑塊下端面與中立板上端面上分別施加4000kN向上、向下的壓力,即認(rèn)為滑塊受到一個向上的壓力。3最大應(yīng)力和最大撓曲變形圖2為折彎力作用下滑塊的應(yīng)力分布與變形圖,從圖2中可以看出滑塊A截面上最大應(yīng)力σmax=26.4MPa,最大的應(yīng)力出現(xiàn)在B截面上,其值為444MPa?；瑝K的最大的撓曲變形產(chǎn)生在其中點(diǎn)處,最大的撓曲變形量為0.735mm。采用經(jīng)典彈性力學(xué)將滑塊簡化為矩形梁的方法計(jì)算得到的滑塊最大撓曲變形量為0.356mm,有限元分析得到的撓度值較理論值大,這是因?yàn)樵趶椥粤W(xué)分析中將滑塊作了太多的簡化,尤其是沒有考慮安裝油缸活塞的矩形孔的影響。4滑塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1加強(qiáng)筋對撓曲變形的影響試驗(yàn)將滑塊結(jié)構(gòu)或尺寸進(jìn)行修改,重新計(jì)算其應(yīng)力分布與變形,以研究滑塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。(1)方法一將滑塊厚度加厚到110mm,計(jì)算可得滑塊的應(yīng)力分布與位移如圖3。從圖3中可以看出,當(dāng)加大滑塊的厚度后,滑塊所受應(yīng)力有所減小,滑塊肩部的最大應(yīng)力為421MPa,但減小的幅度不大;滑塊的最大撓曲變形為0.669mm也有所減小。這一方法雖然會減小滑塊的應(yīng)力與撓曲變形,但會大大的增加滑塊的重量,增加制造成本,加大加載過程中的慣性,因而在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重考慮。(2)方法二在滑塊后側(cè)添加加強(qiáng)筋,滑塊的應(yīng)力分布與變形如圖4。從圖中可以看出,此時(shí)滑塊肩部的應(yīng)力集中更加明顯,應(yīng)力值增加到470MPa;但滑塊慣性矩有所增加,變形減小,撓曲變形減小,最大的撓曲變形為0.726mm,減小幅度不大。(3)方法三在滑塊肩部添加筋板,計(jì)算得到滑塊的應(yīng)力分布與變形如圖5所示。從圖中可以看出,在滑塊肩部添加筋板后,滑塊肩部處的應(yīng)力值有較大的減小,最大為428MPa;滑塊變形減小,撓曲變形減小,最大的撓曲變形為0.674mm。(4)方法四加大油缸安裝孔處滑塊壁厚,如圖6所示?；瑝K的應(yīng)力分布與變形見圖7,從圖中可以看出,滑塊肩部處的應(yīng)力值減小,最大為414MPa;滑塊變形減小,撓曲變形有較大的減小,最大的撓曲變形為0.671mm。綜合分析結(jié)果,在滑塊肩部添加筋板與加大油缸安裝孔處滑塊壁厚,對滑塊所受應(yīng)力以及變形有較大改善,有利于減小滑塊的應(yīng)力以及撓曲變形。從圖中可以看出,在滑塊肩部添加筋板與加大油缸安裝孔處滑塊壁厚后,滑塊肩部處的應(yīng)力值減小明顯,最大應(yīng)力減小為383MPa;滑塊變形減小,撓曲變形有較大的減小,最大的撓曲變形為0.583mm。由此可見,在滑塊肩部添加筋板的同時(shí)加大油缸安裝孔處滑塊壁厚,滑塊的應(yīng)力及撓曲變形明顯改善。4.3基于載荷作用的滑塊應(yīng)力為了進(jìn)一步分析外加負(fù)載的變化對滑塊變形的影響,下面對負(fù)載大小不變,而折彎工件長度減小,即載荷作用長度減小這一情況進(jìn)行分析。假設(shè)負(fù)載大小還是為額定折彎力,即4000kN,載荷長度為2m,重新設(shè)定邊界條件,求解可得滑塊的應(yīng)力分布、位移為圖9所示。從圖中可以看出,滑塊應(yīng)力最大值為589MPa,較載荷作用在滑塊全長時(shí),最大應(yīng)力有所增加,滑塊應(yīng)力集中更加明顯;滑塊最大的撓曲變形為1.312mm,滑塊撓曲變形增大,撓曲變形曲線更陡峭。5滑塊的有限元分析折彎力作用下滑塊與活塞桿接觸的部位會產(chǎn)生較大的應(yīng)力,而滑塊中間部分的應(yīng)力較小。對滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,在滑塊肩部添加筋板的同時(shí)加大油缸安裝孔處滑塊壁厚,為最佳方案,滑塊的