基于ANSYS Workbench的数控液压折弯机机身优化设计

2014-07-08范云霄张厚慈金宇

机械工程师 2014年9期

范云霄，张厚慈，金宇

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

0 引言

数控液压折弯机是一种在工程中应用广泛的板材加工设备。折弯机的机身是折弯机承受工作载荷的主要部件之一，机身刚度不仅影响折弯机的性能和使用寿命，还直接影响机床上模具的寿命和产品精度［1］。本文以某型号的液压折弯机为研究对象，利用ANSYS Workbench 对折弯机机身进行静力学分析，根据结果对其进行优化设计。

1 建立折弯机机身有限元模型

本文采用ANSYS Workbench 的DM 模块直接建立折弯机机身的三维模型，建模过程中采取了以下简化原则［2］：

1）忽略左右侧板上的吊装孔和安装其它装置所做的小孔；2）省去用于底部固定的筋板或地脚螺栓，改为把底板直接和底面固定的约束方式；3）省去对整体受力影响较小的附件，如连接板、油箱等；4）将一些焊件视为整体结构，暂不考虑焊接对结构的影响；5）忽略其它一些影响不大的细节，如圆角、倒角等。

根据以上原则，建立的机身模型如图1 所示。

图1 机身模型

2 机身的静力学分析

在ANSYS Workbench 中进行静力学分析的步骤为：1）建模；2）添加材料属性；3）划分网格；4）施加载荷与约束；5）进行分析；6）查看结果。

建立好模型后，在ANSYS Workbench 的材料库中选取结构钢材料，其弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。然后进行网格划分，采用的方法为自动网格划分法，划分后的网格如图2 所示，其中共有11 251 个节点，5 314 个单元。该型号折弯机的公称力为1 000 kN。折弯机工作时油缸受到滑块对它的反作用力为500 kN，方向为垂直向上；而工作台受到一个方向垂直向下的1 000 kN 的力。对机身底面进行全约束，施加的载荷与约束如图3 所示。最后，进行有限元求解，得到的机身位移云图和应力云图分别如图4、图5 所示。

图2 划分的网格

图3 施加的载荷与约束

从位移云图和应力云图可以看出，机身的最大位移变形值为1.772 2 mm；出现在油缸的顶部；最大应力值为178.19 MPa，在喉口半径部位，是机身中最为危险的部位，这也与实际工程中机身产生疲劳断裂的部位一致。因此，要对机身喉口半径进行优化，降低其应力。

3 机身的优化

图4 位移云图

图5 应力云图

图6 AWE 优化的过程框图

Design Explorer 是ANSYS Workbench Environment（AWE）下的多目标优化工具。在Design Explorer 中进行优化设计分析是通过响应面（线）来完成的，其支持的方法是实验数据法（The Design of Experiments method）,简称DOE 法，当运算结束响应面（线）的曲面（线）的拟合就是通过设计点（Design Points）来完成的［3］。AWE 环境下优化的过程框图如图6 所示［4］：

显然，喉口圆角半径的大小以及侧板的厚度都会直接影响喉口处应力。所以，在优化过程中应以喉口圆角半径的尺寸和侧板的厚度为设计变量，以最大应力最小为目标进行优化，即以喉口圆角半径的尺寸P1和侧板的厚度P2作为输入参数，以最大等效应力P3作为输出参数。该型号折弯机的喉口圆角半径和侧板的厚度分别为150 mm、30 mm，在优化过程中设定P1和P2的取值范围，即135 mm≤P1≤165 mm，27 mm≤P2≤30 mm。在Design Explorer 中经更新计算后，得到9组不同设计点，如图7 所示。