基于ANSYS与SOLIDWORKS的合模机构曲肘有限元分析

张 镐， 李明辉， 李 艳

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

全电动注塑机具有节能低噪、绿色环保以及高重复精度、维修方便、高可靠性等优点，完全主导了近年来国内国际注塑机的发展趋势.它采用先进的全数字伺服闭环控制系统，通过伺服电机、滚珠丝杠等精密传动件驱动成型工艺的各种动作[1,2].

目前国内小型电动注塑机的合模机构大多采用“伺服电动机-同步带-滚珠丝杠-双曲肘合模机构”这样一种标准式设计方案(如图1所示)[3，4].该机构工作时，由锁模伺服电动机通过同步带减速传动，带动与带轮配合的滚珠丝杠，进而推动十字头，十字头通过双曲肘机构带动动模板做合模运动.当机构运动到终点前某一位置时，模具刚好碰上，机构继续运动，迫使合模机构零件发生弹性变形，从而在模具间产生足够的锁模力.运动终止时，机构处于自锁状态.

曲肘合模机构结构紧凑，具有比较大的增力倍数，能够快速实现启闭模运动，而且能够在达到最大合模力的时候实现机构自锁，理论上提供足够大的锁模力，完全符合合模工艺要求.由于曲肘机构要承受较大的合模力，对曲肘机构的刚度和强度要求相应增加.曲肘机构受力最复杂的零件是曲肘.在设计曲肘时，我们的普遍做法是根据力学理论和经验，将曲肘假设为理想的模型，对其进行静力学计算，这样得到的结果具有一定的参考价值，但是不能精确反映曲肘各个微小部分的受力及变形，与曲肘实际工作状态有一定的误差，对于提高设计精度和产品质量，有一定的影响.

为了将机构设计的误差降低到最小，本文就这个问题做了以下两个方面的研究，以达到提高设计精度和产品质量的目的.(1)先通过理论分析曲肘合模机构，得到其力学和机构学计算公式；(2)通过理论分析，结合实际使用要求设计曲肘合模机构，并对关键零件曲肘进行三维建模，然后对其进行有限元分析，得到曲肘详细的应变和应力结果，以验证理论分析是否正确合理，进而为曲肘机构设计提供更为精确的理论依据[5-7].

1.同步带 2.后模板 3.合模伺服电机 4.滚珠丝杠 5.曲肘机构 6.十字头 7.动模板 8.哥林柱 9.前模板 图1 伺服电机-同步带-滚珠丝杠-双曲肘合模式

1 双曲肘合模机构设计

1.1 双曲肘合模机构的运动行程

双曲肘机构由对称布置的两套曲肘机构组成，为了简化，只对一边曲肘进行研究分析.一边曲肘机构可以分解为两套曲柄连杆机构：一套是l1、l2所组成的两板滑块机构；另一套是由l3、l4和活塞杆及其顶角所组成的曲柄滑块机构.图2所示为机构在任意位置(虚线部分)和极限位置(实线部分)时(α=0、φ=φmax)的示意图.

图2 曲肘机构

首先对图2进行机构学分析，将各个构件在轴向投影可得：

Sm(α)=(l1+l2)cosγ0-[l2cosβ-l1cos(ξ+θ)]

(1)

S0(α)=l4(cosφ-cosφmax)+l3[cos(θ+γ0)+cosξ]

(2)

或

-cos(γ0+α)+cosγ0

(3)

S0(α)=l3[cos(θ+γ0)-cos(θ+γ0+α)〗-1λ2(cosφmax-cosφ)

(4)

当十字头(图中E点)运动至离后模板最近的位置，可得机构的后极限位置，此时前曲肘l1与大连杆l2成一线，机构自锁.如图3所示：

图3 后极限位置

通过极限位置的机构学分析可以得出最大行程S0max和Smmax.

-cos(γ0+αmax)+cosγ0

(5)

S0max=l3[cos(γ0+θ)-cos(γ0+θ+αmax)]

(6)

从式(3)、(4)、(5)、(6)分析可知：

(1)S0、Sm分别是α的函数，S0由l3及λ2所决定，l3增大，λ2增大，则S0减小；Sm由l1及λ1所决定，l1增大，λ1增大，则Sm减小.

即只需选定合适的l1和λ1，即可设计满足模板行程要求的机构.

(2)Smmax、S0max在机构的前、后极限位置可得到.即φ=φmax、α=0及φ=φξ、α=αmax，即l1、l2伸直的位置和l3、l4伸直的位置.

1.2 行程比Ms(α)

行程比即动模板行程与十字头行程之比，由以上分析可以得出：

(7)

(8)

1.3 速度比Mv(α)

速度比即模板速度与十字头速度之比：

(9)

1.4 机构力的放大比MP(α)

根据能量守恒定律：

v0(α)·P0(α)=vm(α)·Pm(α)

(10)

(11)

式中：P0-十字头推力.

由公式(7)和公式(10)可以看出，机构行程比Ms(α)和机构力的放大比MP(α)互成反比关系，即机构行程比和力的放大比是矛盾关系.对机构进行设计时，要综合两方面的要求，做出最经济的选择.

2 曲肘有限元静力学分析

鉴于以上理论分析计算，按合模力100 KN计算出能够满足需要的曲肘合模机构.该机构是用于试验的样机，为了降低成本，在满足机构需要的前提下对各部分零件进行了简化，并用三维软件Solidworks进行了虚拟样机的建模，如图4所示.

图4 双曲肘合模机构虚拟样机

2.1 建模

Ansys软件建模具有局限性，不采用Ansys软件建模，而是利用Ansys软件和Solidworks软件的数据接口直接将三维软件Solidworks所建曲肘模型导入到Ansys软件中，以弥补Ansys软件建模的不足.Solidworks软件建立的曲肘模型如图5所示：

图5 曲肘三维模型

2.2 模型导入

在Solidworks软件与Ansys软件之间有良好的无缝连接数据接口.具体操作为：单击Solidworks软件界面菜单中Ansys11.0 的下拉菜单Workbench，即可启动Ansys Workbench，并直接导入在Solidworks软件中建立的三维模型.对Ansys Workbench求解进行初始化设定，即可进入分析界面[8].

2.3 定义材料

曲肘材料为45钢，其力学性能如表1所示：

表1 材料力学性能

2.4 划分网格

在Ansys Workbench中，不需要去指定单元体类型，系统默认有限元模型的单元类型为三维实体单元Solid45.网格划分模型如图6所示：

图6 曲肘网格模型

2.5 施加约束和载荷

图7 曲肘受力

曲肘合模机构在实际工作中，合模启动时所受载荷最大，此时曲肘处于合模起始位置，在合模力作用下，计算出曲肘受力情况如图7所示：

表2 曲肘A点和B点受力数据(单位：KN)

将表2中的力加载到模型上，然后对曲肘进行约束.约束情况为：O点X、Y方向固定，可以绕Z轴旋转，A点、B点自由.

2.6 分析求解

对曲肘进行静力分析的结果如图8、图9所示：

图8 曲肘静力分析应变图

图9 曲肘静力分析应力图

图10 曲肘应力-应变图

由以上分析可知，曲肘最大应变为0.001 32 mm，最大应力为264.94 Mpa，应力-应变图近似一条直线(如图10所示)，均在材料的许用范围之内.两者最大值都发生在曲肘连接的尺寸过渡处，为了提高曲肘安全系数，在制造时有必要对该处的加工

提高要求，并做相应的热处理[9,10].

3 结束语

通过以上分析可以得到以下结论；

(1)理论分析为我们提供了设计依据，结合有限元分析软件Ansys与三维建模软件Solidworks验证了理论分析的正确性.

(2)利用Ansys和Solidworks之间良好的数据接口，实现了模型数据的无缝连接，避免丢失数据，并且有效的弥补了Ansys软件建模的不足，提高了设计的可靠性.

(3)从静力学分析结果来看，曲肘的薄弱部位是其尺寸过渡处，与实际工作状况相符，求出了曲肘应变和应力结果分布，为曲肘机构的设计提供了更为可靠的理论依据.

[1] 王兴天.注塑工艺与设备[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 王兴天.注塑技术与注塑机[M].北京：化学工业出版社,2005.

[3] 丁东升.电动注塑机合模机构的常用结构及其对比[J].轻工机械,2006,23(3):141-143.

[4] 许 颖,方子帆.注塑机合模装置的结构及发展[J]．机械工程，2006，24(1)：119-122.

[5] 孙亮波,陈岳林,赵 越.机构运动仿真的可行性与可行域研究[J].机械设计与制造，2007，45(8)：173-175.

[6] 张 杰.全电动注塑机合模机构的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[7] 林宏权，蒋卫东，林 达.全电动式注塑机的发展现状及展望[J].塑料工业，2005,33(4)：1-4.

[8] 薛风先.ANSYS12.0机械与结构有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010:3.

[9] 李月仙.基于ANSYS的注塑机合模机构关键部件的有限元分析[D].太原：太原理工大学，2007.

[10] 钟士培.注塑机双曲肘合模机构运动仿真研究[J].装备制造技术，2010,38(3):6-8.