基于ANSYS折弯机机架的有限元分析

2014-06-29顾忠新胡智明

锻压装备与制造技术 2014年1期

顾忠新，胡智明

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250022）

0 前言

折弯机是一种非常重要的钣金加工设备，广泛应用于飞机、船舶、汽车制造、开关、电子设备加工等行业。通过采用不同的模具就能把金属板料折弯成各种不同形状的工件。机架是折弯机设计中一个非常重要的零件，它不但是所有零件的装配基体，而且承载着剪板机工作中的所有载荷，因此，机架强度不但影响着折弯机的寿命，而且对工件的加工精度也产生巨大影响[1]。

随着科技的不断发展，越来越多的工程技术人员采用CAD/CAE 技术[2]。采用CAE 技术不但能够提高产品的设计质量、减少设计错误、加快研发周期，还可以对产品进行分析与优化，减少产品重量、节省原材料、提高设计可靠性。

本文以WDB225-4000 液压数控折弯机机架为研究对象，利用大型CAD 设计软件SolidWorks 和有限元分析软件ANSYS 对折弯机机架进行静力学分析和模态分析，得出其最大应力值、最大位移值以及前十阶的固有频率，为以后机架的设计优化提供依据。

1 静力学分析

1.1 几何模型建立

由于折弯机机架模型非常复杂，为缩小计算规模且保证计算精度，需要对机架模型进行简化。这样网格划分后不但单元数量相对减少，而且采用单元的形态也相对简单。基于此，将机架模型导入ANSYS 前，需对机架进行如下简化处理：①由于机架是焊接结构，且本文重点不是分析焊缝处的应力，因此可将机架视为理想焊接，即将机架的三维模型按单一零件建模。处理后不但方便三维建模，而且不用对每个零件都进行网格划分，减少了前处理阶段的工作量。②对某些构件可以进行简化或等效合并，并保持其结构特性。③忽略螺纹和圆角。

采用三维设计软件SolidWorks 对机架进行建模并保存为x_t 格式，然后通过SolidWorks 与ANSYS软件的接口将机架的三维模型导入ANSYS 中。导入后的模型如图1 所示。再将线框模型转化为实体模型，如图2 所示。

图1 机架线框模型

图2 机架实体模型

1.2 材料的力学特性

本文中机架是采用材质为Q235A 的普通钢板焊接而成。其材料参数如表1 所示。

表1 机架材料基本参数

1.3 网格划分

ANSYS 单元库中包含有很多单元类型。每一种单元类型都是由名称和代号组成的，具有特定的单元性能[3]。通常将这些单元类型按结构一般分为壳体单元、实体单元、梁单元等。在工程的实际问题处理中，有些问题需要按照空间问题进行求解。在解决空间问题中使用比较广泛的应该是4 节点四面体单元，其中本文选用的就是边界拟合能力非常好的四面体Solid92 单元。

网格划分是有限元分析中最重要的一步。在对实体进行网格划分时，需要先确定网格的类型和单元尺寸大小[4]。由于机架模型结构复杂，不利于采用映射网格划分，因此本文采用适应性比较强的自由网格划分。划分后的有限元模型如图3 所示。

图3 机架有限元模型

1.4 加载与求解

为保证折弯机在工作状态下不会产生刚体位移和转动，需要使用地脚螺栓将机架的地脚与地基相连，产生的预紧力作用在地脚上。基于此，在机架的四个地脚上施加约束，并约束其全部自由度。

本折弯机中每个油缸都是通过八个螺钉固定在左右座板上，这样不仅增大了受力面积，而且其在水平方向上不受任何外力影响，因此可以将机架和油缸视为一个整体，并在有限元分析中将其接触类型视为结合。

WDB225-4000 板料折弯机的公称折弯力为2250kN，在实际工作中机架所受载荷主要分为两种情况：一种是油缸活塞连杆处的支反力，方向竖直向上；另一种是通过滑块传递到工作台表面的均布载荷，方向竖直向下。

施加完上述载荷后即可进行求解。

1.5 结果与分析

求解后的结果如表2 所示，总位移云图如图4所示，总应力云图如图5 所示。

表2 机架分析结果

图4 机架总位移云图

刚性分析：根据上面表格以及总位移云图可以看出，机架的上半部分特别是油缸处的变形最大，越往下变形量越小，这与机架在实际情况工作中的状况相吻合，结果也相对比较合理。同时，工作台在y方向上的变形量为0.63mm，而本公司的专利技术楔块补偿最大补偿量为1.5mm，满足设计要求。

应力分析：从应力云图中可以看出，最大应力值为438MPa，发生在油缸座板与侧板的连接处。在折弯机实际工作中，此处也是我们所谓的“ 危险区域”，因此分析结果与实际相符合。这里需要指出的是在实际设计中此处要求焊接，焊高为30mm，并且在油缸座板侧面还有加强筋，因此，此处的应力集中很容易消除。所以上述油缸座板处的应力值是无效数据，不可作为设计依据。

由上面分析可知此机架还有很大的优化空间，在将来的研究分析中，可以在不影响机架整体刚度的情况下，减少机架重量，提高机架性价比。