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開式壓力機機身有限元分析與優化

發布于:2022-01-16 19:07
有限元分析

     壓力機是為模具中的材料實現壓力加工面提供動力和運動的設備,機身是壓力機的一個基本部件,幾乎所有的零件都安裝在機身上,且機身承受沖壓時的全部變形力和所有部件的重力。機身的結構形式分為開式和閉式兩大類。閉式壓力機機身剛度好,沖壓精度高,但操作空間較小,操作不太方便。開式壓力機的機身形狀類似于英文字母C,其機身工作區域三面敞開,操作空間大,但剛度較差,壓力機在工作負荷下會產生角變形,面角變形將嚴重影響工件的精度、模具壽命和加速滑塊導向部分的磨損。本文將利用PRO/E中的有限元分析模塊分析開式壓力機機身的受力情況,合理設計機身結構,以節省材料。
     根據用戶需求和生產工藝,機身采用板塊式框架焊接結構?紤]到機身結構的焊接工藝和沖床零部件安裝空間,初步設計的機身基本結構,其寬為500 mm,高2300 mm,側面鋼板厚50 mm,橫向鋼板厚40 mm,兩側板之間用X60 mm圓柱連接。Pro/MECHANICA是Pro/ENGINEER中的有限元模塊,它的最大特點是可以完全實現幾何建模和有限元分析的無縫集成,用戶利用Pro/ENGINEER強大的建模能力完成零件的幾何建模后,無需退出設計環境就能進行有限元分析,設計極為方便和迅捷。
     網格劃分是建立有限元模型的關鍵,應在計算精度許可的前提下盡量簡化模型,省略細節,以減少單元數量,提高運算速度。在Pro/ENGINEER中對壓力機機身建立的有限元模型其采用四面體、五面體、六面體混合方式劃分單元,圓角部分細分選項。經過系統自帶的網格優化運算,機身被劃分為1 445個四面體,0個五面體,0個六面體,從后面的整體推演來看,此劃分比較合理。機身底面安裝在地基上受三個方向的完全約束,即在X,Y,Z方向的平移和旋轉自由度被限制。
     經運算后可得機身結構應力云圖)和機身結構位移云圖。最大應力56.2 N/mm2發生在上下圓角處。最大位移0.86 mm,發生在機身右上角處,這對沖壓的精度和安全有較大影響,結構設計時應控制總變形。
     對機身進行優化設計,首先要研究機身結構各部位對應力應變的影響。從應力云圖來看,機身U形圓角區為應力集中發生區。因此,可考慮在兩個圓角部位焊接加強板(,面在其它部位減少用料。通過敏感度分析得到。當加強板厚度從30 mm變化到80 mm時,機身總變形從0.758 mm縮小至0.68 mm。側板占機身總重量的比例較大,所以減少側板厚度可節省較多的材料,但其長度和寬度尺寸因關系到部件安裝和工作空間故不宜更改。因此,為簡化優化過程、減少運算時間,只選取側板厚度、加強板厚度作為設計變量。經運算后可得優化后機身結構應力云圖)和優化后機身結構位移云圖。優化后剛度有所增加,重量減少了10 %,降低了生產成本,提高了產品競爭力。
     運用有限元方法能準確地計算出開式壓力機機身各個部位的應力和應變。在保證機身強度、剛度的前提下,提供最優化的結構形式與尺寸,使所設計的機身具有更好的性價比。


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